美国泽塔能源公司（Zeta Energy）锂硫电池采用碳管沉积锂金属负极

泽塔能源公司（Zeta Energy）总部位于美国得克萨斯州，近日其首席商务官迈克尔・利特克（Michael Liedtke）就公司在锂硫电池方面的基础性研究工作进行了介绍。他表示，从项目启动之初，成本控制就是泽塔能源的核心驱动力，而硫元素价格低廉且储量丰富，恰好能满足这一需求。

 

不过，锂硫电池并非单纯的 “降本方案”—— 还有望将传统锂离子电池的能量密度提升一倍。泽塔能源的技术思路与莱滕公司（Lyten）、相干公司（Coherent）存在相似之处，三家企业均通过不同方式实现硫在正极中的固定。具体来看，相干公司采用亲电碳与硫结合，莱滕公司将硫储存于 3D 石墨烯中，而泽塔能源则使用他们所说的 “硫化碳”（sulfurized carbon）。

 

泽塔能源自主研发正、负极所需的活性材料，并将这些材料与商用液态电解质、隔膜组合成 “三明治” 式结构。利特克介绍，在正极制备环节，他们先将硫、聚合物与碳混合制成小颗粒，再对这些颗粒进行热解处理，“热解温度低于 400°C，时长不足 2 小时”—— 相比镍锰钴（NMC）正极通常所需的 700-900°C、10-20 小时热解条件，这是一项显著改进。他还指出，公司的技术与元素硫及硫化聚丙烯腈（S-PAN）等方案不同，但确实会使用聚丙烯腈衍生物。不过，泽塔能源的方案有其独特优势：可实现 40%-70% 的硫含量，而 S-PAN 方案的硫含量上限仅为 30%-40%。利特克解释道，在他们的设计中，“硫通过化学键与碳骨架结合…… 这样一来，电池循环过程中硫就不会流失到电解质中”—— 他所指的正是困扰锂硫电池发展的关键难题 “多硫化物穿梭效应”。谈及成本时，他提到炼油厂堆积如山的硫原料：“我们与当地供应商合作，对硫原料的唯一加工需求，就是用锤子敲碎最大的块状物。”

 

此外，该公司还在负极侧实现了技术突破：通过化学气相沉积法，在铜箔两侧均涂覆上垂直排列的碳纳米管。泽塔能源对这些纳米管进行预锂化处理，最终制成锂金属负极。利特克（Liedtke）解释说：“但我们是利用这种 3D 结构来承载锂的。” 这些纳米管形成了一种类似 “森林” 的结构，但若近距离放大观察会发现，其内部 98% 的空间都是可容纳锂的空隙。利特克补充称，这些纳米管的重量非常轻，仅会使铜箔的重量增加约 2%，而且研究团队能够控制纳米管的高度及其排列密度。若排列过密，锂只会附着在表面；而当密度适当时，锂就能均匀地包覆在纳米管上。

 

泽塔能源开展了动态应力测试 —— 通过改变充放电速率，模拟车辆行驶中可能出现的各类不稳定工况。测试结果显示，电池经过 300 次循环后，容量保持率仍超过 90%。他们还意外完成了一项未预先规划的测试：一枚已充电的电池被误放在货架上，五个月后才被发现。令人意外的是，该电池的容量仅损失了约 0.5%。“这是一个非常罕见的测试结果，” 利特克表示，“对于将车辆长时间停放在机场这类场景来说，这无疑是一大优势。” 此外，他们的电池在 - 20°C 低温环境下，容量保持率仍能达到 83%。利特克称，其电池在循环过程中的膨胀率仅约 2%，并表示这一数值是所有电池技术（包括液态电解质锂离子电池）中最低的。

 

此次介绍中，关于能量密度的细节提及较少，但利特克透露，公司正致力于将目前所用的 50% 硫含量提升至 70%；达到这一目标后，电池能量密度有望达到 450 瓦时 / 千克级别。而此前，他们采用 20 安时多层软包电芯所实现的能量密度为 300 瓦时 / 千克，此次提升将是一次显著飞跃。

 

最后，利特克再次回到 “成本” 这一最初的核心驱动力上。泽塔能源已与斯特兰蒂斯集团（Stellantis）达成一项获得资金支持的联合开发协议，并为该集团进行了规模化生产成本核算（基于一座 40 GWh工厂的产能）—— 结果显示，电池成本可低至 50 美元 / 千瓦时，其中锂是成本最高的原材料。这一价格不仅大幅低于镍锰钴（NMC）电池，还能与磷酸铁锂（LFP）电池持平，甚至更具优势。