全固态锂硫电池（ASSLSBs）进展|高比能电极与稳定界面的构筑

全固态锂硫电池ASSLSBs作为下一代储能技术的代表，因其高理论能量密度（可达2600 Wh/kg）、优异的安全性和低成本潜力而备受关注（图1）。其正极材料通常采用硫化锂（Li₂S）或单质硫，其中Li₂S作为预锂化材料，固态电解质包括有机（聚合物）/无机（氧化物/硫化物/卤化物）以及复合电解质。负极材料为金属锂。金属锂具有很高的理论比容量（3860mAh/g）和极低的电极电位（相对于标准氢电极 -3.04V ），能够提供高的电池电压和能量密度。

然而，ASSLSBs的商业化仍面临复合正极设计、界面稳定性、体积变化管理及规模化制备等挑战，需通过材料创新和结构优化来突破瓶颈（图2）。

图1  全固态锂硫电池概述图

图2  锂硫固态的挑战

图片来源：Nano-Micro Lett. (2024) 16:172

ASSLSBs的性能高度依赖于关键材料的创新。

正极材料方面，研究聚焦于提升硫的导电性和利用率。例如，孙学良院士团队设计了一款新型正极（图3a），其结构为纳米级的硫化锂嵌入到非晶态的硫化铁锂基体中，正极展现出优异的长期循环稳定性，经过 320 次循环后容量保持率仍超过 99%。当正极中活性物质含量为 48%、质量负载量为 19.1mg·cm-2时，其面容量可达 13.2mAh/cm-2。福州大学王星辉教授团队与湖南大学鲁兵安教授团队合作制备了垂直石墨烯-硫化锂复合薄膜正极 (VGs-Li₂S) （图3b），在全固态电池的体系中保持超过3000次循环的稳定循环并提供5.79 μAh·cm⁻²的放电面积比容量(容量保持率为81%)。

固态电解质的创新研究很多，例如新型的硫银锗矿电解质经过 230 次循环仍能实现2mAh·cm⁻²的面容量；而在60 度时，可获得11.3m Ah·cm⁻²的高容量，且容量保持率为 90%（图3c）；双约束拓扑聚合物电解质（DCTPE）具有强吸附能力和界面增强作用，可实现锂离子的均匀沉积与快速迁移。因此，Li-SPAN 电池在 1C 倍率下展现出优异的循环稳定性，可稳定循环 1200 次以上。更重要的是，在软包全电池测试中，该电池在 0.5C 倍率下仍能稳定循环 500 次且无明显容量衰减，容量保持在 1134.4 mAh·g-1，容量保持率高达 95.4%（图3d）。

图3  (92Li2S@8LiFeS2)复合正极（a）；VGs-Li₂S复合薄膜正极（b）Nano-Micro Letters (2023)15: 73；硫银锗矿（Li6PS5Cl）电解质（c）Nature Materials | Volume 24 | July 2025 | 1082–1090；双约束拓扑聚合物电解质（DCTPE）（d）Adv. Funct. Mater. 2025, 2506355。

工业应用上，潜在的工业应用场景有电动汽车，无人机，水下机器人，穿戴设备等等，目前研究最多的还是电动汽车（表1）。

表1  锂硫固态潜在应用场景及核心需求

短期目标（2025-2027）是优化硫化物电解质成本，实现无人机 / 穿戴设备小批量应用，能量密度稳定在 500Wh/kg；中期目标（2028-2030）是车企量产 SSLSBs 电池（如蔚来 ET Flyzer 电动飞机），适配电动车续航 1500km，成本降至 100 美元 /kWh；长期目标（2030+）拓展至深海探测、航空航天，开发 “无锂阳极” SSLSBs，能量密度突破 1000Wh/kg。

>国际层面：美国能源部 “EVs4ALL”计划为固态电池研发提供资金支持，Solid Power 聚焦硫复合正极，Lyten 推进先进锂硫电池制造；

>国内层面：中国出台 “上海市新能源储能示范创新发展工作计划”，成立固态电池产业创新联盟，车企计划 2026-2030 年实现 SSLSBs 量产装车；

技术瓶颈主要集中在四个方面：

>功率密度不足：固态电解质离子电导率低（聚合物室温 < 10⁻⁶ S/cm），硫正极电子导电性差，导致快充慢、高倍率放电能力弱；

> 循环寿命短：充放电时硫正极体积膨胀（~80%），电极-电解质界面开裂；

>实际能量密度低：实验室只算活性材料（硫 + 锂），忽略 inactive 组件（电流集流器、封装占比超 50%），软包电池实际能量密度常不足 300Wh/kg；

>产业化难：硫化物电解质怕水氧（需惰性气氛组装）；硫化锂价格昂贵；现有锂电产线无法直接适配。

根据上述一些技术瓶颈，目前也可通过先进技术赋能去解决（图4），比如人工智能（AI）加速研发：机器学习（ML）模型可预测固态电解质离子电导率，减少试错实验；通过主动学习生成 3000 + 界面结构数据，优化阴极 - 电解质界面设计；3D 打印革新制造：喷墨打印实现 2.8μm 超薄电解质原位制备，溶剂移除过程中实现 Li₂S@CNT 正极与电解质一体化成型；未来研究建议聚焦器件级优化，平衡性能与成本，明确技术定位以及加强跨学科合作。

图4  先进技术赋能锂硫固态制备