硫在自然界中廣泛存在，數(shù)據(jù)表明，硫在自然界中的豐度大概為0.048wt%，且屬于尚未充分利用的自然資源。自然界中的硫主要是以常溫下熱力學(xué)穩(wěn)定的單質(zhì)硫（S8）形式存在，其基礎(chǔ)物理性能讓研發(fā)人員對于硫應(yīng)用在鋰電池上興奮不已。單質(zhì)硫具有低毒性、價(jià)格低廉、存量大和低密度等特點(diǎn)，特別是Li/S有很高的理論能量密度，單質(zhì)硫比容量高達(dá)1,675 mAh/g，質(zhì)量比能量更是高達(dá)2,600Wh/kg，是目前已知的比容量最高的正極材料。
較高的比容量和能量密度意味著鋰硫電池的單體重量和體積較小，放電能力較強(qiáng)，這一特性看似能夠滿足現(xiàn)今電動(dòng)汽車發(fā)展的需求，但是鋰硫電池的研發(fā)也遇到了許多難題。主要的問題有：（1）負(fù)極的鋰金屬與溶解于電解液的硫發(fā)生反應(yīng)，單質(zhì)硫逐漸地在正極區(qū)域縮小并形成多硫化物，多硫化物從正極剝離并進(jìn)入電解液，進(jìn)而與金屬鋰發(fā)生反應(yīng)，正極活性物質(zhì)發(fā)生損耗和侵蝕，最終造成正極區(qū)域坍塌；（2）在鋰硫電池放電過程中，形成的多硫化物進(jìn)入電解液后，高度富集的多硫化物致使電解液粘度升高，導(dǎo)致電解液導(dǎo)電性降低，電池性能顯著下降；（3）鋰硫電池體系的工作溫度高達(dá)300～400℃，這需要較為昂貴的耐高溫材料和復(fù)雜的制備工藝來防止電池?zé)龤?。這些問題要解決起來，難度不小。
另外，由于單質(zhì)硫在室溫下不導(dǎo)電，不能單獨(dú)作為正極材料使用，所以在制備鋰硫電池時(shí)通常將其與一定量的導(dǎo)電材料混合以提高正極區(qū)域?qū)щ娦裕沁^度的混合導(dǎo)電材料，又會使鋰硫電池的比能量顯著降低。因此，結(jié)合這些，鋰硫電池的研發(fā)方向主要有：（1）多樣化硫系正極材料的設(shè)計(jì)與制備以及對鋰金屬負(fù)極的改性；（2）降低電池工作溫度和防止正極區(qū)域放電產(chǎn)物的溶解等。
1999年10月，PolyPlus Corp.對外宣布，他們聯(lián)合Eveready Bettery Company和Sheldahl Corp.，研制出了較為成熟的新型鋰硫電池。PolyPlus的辦法是：電池的負(fù)極以銅或者聚合物為基底，采用氣相沉積法將金屬鋰鍍膜在基底上，再包裹一層可傳導(dǎo)Li+的磷酸鹽保護(hù)膜。PolyPlus介紹，他們試制的鋰硫電池質(zhì)量比能量為420Wh/kg，體積比能量為520Wh/L，循環(huán)壽命可超過200次。
美國Sion Power Corp.在2004年05月的微軟粘度硬件工程會議上向全球宣布，已研制出更輕便、長循環(huán)周期的高能鋰硫電池，電池的質(zhì)量比能量超過350 Wh/kg，循環(huán)次數(shù)已超過了300次。2010年07月，Sion Power應(yīng)用于美國無人駕駛飛機(jī)動(dòng)力源的鋰硫電池表現(xiàn)引人注目，無人機(jī)白天靠太陽能電池充電，晚上放電提供動(dòng)力，創(chuàng)造了連續(xù)飛行14天的紀(jì)錄。其能量密度和循環(huán)性能的近期目標(biāo)分別是超過500Wh/kg和500次循環(huán)。該公司宣稱到2016年，要讓其鋰硫電池達(dá)到600Wh/kg和1,000次循環(huán)。
隨著凝膠電解質(zhì)和固態(tài)電解質(zhì)材料的不斷發(fā)展，研發(fā)人員發(fā)現(xiàn)，這些電解質(zhì)材料結(jié)合特殊的電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以在很大程度上抑制放電產(chǎn)物溶解于電解質(zhì)中。因此，最新的研究方向之一是使用全固態(tài)聚環(huán)氧乙烯（PEO）作為鋰硫電池的電解質(zhì)，據(jù)報(bào)道，美國加利福利亞Lawrence Berkeley國家實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)采用PEO與復(fù)合型熱活化聚合的PEGDME電解質(zhì)組成雙元電解質(zhì)結(jié)構(gòu)應(yīng)用到鋰硫電池中，循環(huán)壽命已經(jīng)從幾十次提升為220次以上。
此后，該實(shí)驗(yàn)室不斷改進(jìn)相關(guān)技術(shù)，并在2009年IBM Almaden大會上發(fā)布了基于單質(zhì)硫改性和電解質(zhì)性能探索的最新研究，結(jié)果令人欣喜。通過使用新型電解質(zhì)溶劑PEGDME、PEO等，同時(shí)利用優(yōu)化的正極材料配比（S 68%，C 23%，PVdF 9%），使新開發(fā)的鋰硫電池獲得了1,400mAh/g的比容量，使用PEO溶劑的鋰硫電池工作溫度降為90℃，而使用PEGDME溶劑的鋰硫電池工作溫度為25℃。同時(shí)，該鋰硫電池的充放電循環(huán)次數(shù)也有了較大提升，超過500次。張杰認(rèn)為，此項(xiàng)技術(shù)有效提升了鋰硫電池的業(yè)內(nèi)地位，但是其研究還需要有較長的路要走，比如還需要進(jìn)一步增加循環(huán)次數(shù)，并且該電池的能量密度和功率密度還需要進(jìn)一步的提升才能滿足電動(dòng)汽車市場的需要。
鋰硫電池已成為日本新能源汽車動(dòng)力電池技術(shù)研究方向之一，日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）自2009年起，每年投入300億日元（約合24億元人民幣）的研發(fā)預(yù)算，目標(biāo)是在2020年能量密度達(dá)到500Wh/kg。美國在這方面走的更快一些，其能源部最近投入500萬美元資助鋰硫電池的研究，計(jì)劃2013年能量密度達(dá)到500Wh/kg。
據(jù)技術(shù)在線報(bào)道說，研究中發(fā)現(xiàn)，由于正極活性材料的放電溶解及金屬鋰表面的不穩(wěn)定性，硫本身及其放電產(chǎn)物的電絕緣性（5×10-30S/cm）等因素的影響，導(dǎo)致鋰硫電池的循環(huán)穩(wěn)定性較差，活性材料利用率偏低。而對于鋰硫電池使用的正極材料，目前的研究工作集中在以下方面：（1）鋰硫電池的正極材料包括多孔碳，如大介孔碳、活性碳、碳凝膠等；（2）碳納米管、納米結(jié)構(gòu)導(dǎo)電高分子材料，如MWCNT、PPy、PANi/PPy等；（3）PAN。
目前國際上鋰硫電池研究的代表性廠商有美國的Sion Power、Polyplus、Moltech，英國的Oxis及韓國三星等。中國大陸鋰硫電池的研發(fā)，目前還集中在研究機(jī)構(gòu)，以天津電子18所、防化研究院、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、國防科技大學(xué)、武漢大學(xué)、北京理工大學(xué)等科研院所為代表，企業(yè)參與研發(fā)的還不多。
