临近空间飞行器锂硫储能电池技术临近空间低速飞行器技术丛书国防工业出版社当当书籍_刘双科，谢凯，孙巍巍，洪晓斌_9787118136678

本书为<<临近空间低速飞行器技术丛书>>分册之一。本书从临近空间低速飞行器对高比能储能电池技术需求的角度，结合团队长期在锂硫储能电池领域的研究和思考，介绍锂硫电池基本原理、工作过程等基础知识及其工程化研究进展，主要内容分为两个部分:一是锂硫电池的基础理论及关键材料的研究情况和进展，包括锂硫电池工作原理、硫正极与锂负极、电解质膜、特殊锂硫电池体系等;二是高比能锂硫电池器件工程化研究，包括锂硫软包单体电池、锂硫电池模组设计与制备，以及工程化研制情况与应用前景。本书汇集了"十二五"时期和"十三五"时期部分临近空间飞行器锂硫储能电池技术的国内外最新研究成果，可供从事储能电池设计、研制、试验、应用工作的科研人员、工程技术人员及管理工作者学习参考，也可作为高等院校能源材料与器件有关专业的教师、研究生、高年级本科生的教学参考用书。

序言

临近空间是继陆、海、空、天之后人类进一步拓展和利用的自然环境，是跨接传统航空与航天的新兴战略空间，对于催生新的经济产业和作战力量具有重大战略意义。以平流层飞艇和高空长航时太阳能飞机为代表的临近空间低速飞行器，可实现月、年量级的超长航时驻空，对地覆盖范围宽广，军民信息领域用途广泛，被形象地称为平流层卫星，是军事强国和商业巨头竞相发展的重大前沿方向。

十四五伊始，国防工业出版社前瞻布局，组织国内一流专家开展《临近空间低速飞行器技术丛书》编纂工作。丛书从总体和关键技术两个层面着手，系统总结临近空间低速飞行器技术前沿研究成果，全面阐述关键科学与技术问题。丛书以国际最新技术进展和高水平研究成果为基础，聚焦制约长期驻空的先进囊体材料、昼夜循环能源、高空高效电机螺旋桨推进、轨迹与压力控制等核心技术，突出体系性和系统性，重视理论性与实用性相结合，可为该领域科研人员提供基础研究和工程研制参考。

临近空间安全是国家安全的重要组成部分，抢占临近空间，研发临近空间飞行器，建设临近空间学科，功在当代、利在千秋。我相信丛书的出版必将为我国临近空间领域科技创新和人才培养做出重大贡献！

中国科学院院士顾逸东

前言

临近空间以独特的地理位置和复杂多变的环境条件，不仅承载着人类对未知的探索欲望，更蕴含巨大的军事价值和应用潜力。近年来，随着科技的飞速进步和全球军事竞争的加剧，临近空间飞行器的重要性日益凸显，其对能源分系统的要求也越来越高。特别是在高海拔、低气压、强辐照等极端环境下，传统能源技术已难以满足临近空间飞行器对长时间、高效率、轻量化的运行需求。因此，探索和开发新型高比能储能电池技术成为当前研究的热点之一。

近年来，锂硫电池以超高能量密度和低成本等优势，不仅在科研界和工业界引起了广泛关注，也成为临近空间飞行器能源分系统的理想选择之一。然而，锂硫电池在实际应用中仍面临诸多挑战，如硫正极的氧化还原动力学迟缓、锂负极安全性和循环稳定性差、电解质稳定性和离子传输能力差等问题。在国家高技术研究发展计划（简称 863 计划）、国家自然科学基金及高分辨率对地观测系统重大专项支持下，国防科技大学能源材料与器件团队从 2007 年开始从事锂硫电池基础及应用研究，是国内最早开始锂硫电池材料及器件研制的团队之一，首次提出了活性物质不可逆氧化的容量衰减新机制和利用单离子选择透过性电解质膜抑制飞梭效应的新方法，在高容量高载量硫正极、功能性电解质膜、稳定化锂负极、高比能锂硫软包单体电池及锂流电池模组研制等方面持续开展创新性研究工作。本书以作者所在课题组 10 余年来在锂硫电池基础研究和工程研制的积累为主，同时汇聚了国内外众多高校、科研院所和企业在锂硫电池领域的最新研究成果和进展，不仅能为从事高能量密度锂硫电池研发工作的科研人员提供参考，也能为锂硫电池在临近空间飞行器中的创新应用提供技术支持，还有利于推动锂硫电池技术的研发与应用，为临近空间飞行器的发展注入新的活力。

本书共 7 章，内容涵盖了从基础理论到工程化研制的各个方面。第 1 章绪论由刘双科、洪晓斌执笔，简要介绍了临近空间的环境特性和飞行器能源分系统的组成与工作原理，分析了临近空间飞行器对能源分系统的需求和面临的挑战及有发展前景的高比能储能电池技术。第 2 章锂硫电池的工作原理由刘双科执笔，介绍了锂硫电池的概念、特点、基本结构及工作原理，同时归纳了锂硫电池面临的关键科学和技术问题。第 3 章硫正极由刘双科执笔，介绍了硫正极电极过程、性能衰减机制及硫正极的结构设计、物理及化学限域、电催化等方面的研究成果和进展。第 4 章锂负极由孙巍巍、洪晓斌执笔，介绍了锂硫电池锂负极 SEI 膜的特性及电解液组分如溶剂、锂盐、离子液体及其溶剂化结构对 SEI 膜的影响，以及锂负极的改性和稳定化策略。第 5 章电解质膜由谢凯、刘双科执笔，介绍了电解质的分类、离子传输机制，以及凝胶电解质膜、单锂离子聚合物电解质膜、无机电解质膜在锂硫电池中的应用及机制。第 6 章特殊锂硫电池体系由孙巍巍执笔，介绍了特殊硫正极体系、柔性锂硫电池和全固态锂硫电池等前沿研究方向。第 7 章锂硫电池器件、模组及工程化由刘双科、洪晓斌执笔，主要介绍了锂硫软包单体电池的设计原则、锂硫电池比能量提升策略、高比能量单体电池设计与制备、锂硫电池模组与电源管理系统设计等方面的研究情况。郑春满教授、谢凯教授负责全书的统稿与审校工作。

本书为临近空间低速飞行器技术丛书之一，在此谨向丛书组织者顾逸东院士与侯中喜教授致谢。本书内容涵盖了谢凯教授、洪晓斌副教授指导的刁岩、金朝庆、熊仕昭、胡宗倩等学位论文的全部或部分工作，在此表示衷心的感谢。此外，为本书内容做出贡献的教师、博士生、硕士生及工作人员还包括郑春满、王丹琴、潘亦真、王军伟、袁俊飞、魏延超、盖新路、孙欣星、黄博云、唐彪及曾诗远等，在此一并表示感谢。感谢国防工业出版社辛俊颖编辑精益求精的工作和无私奉献，使得本书能够顺利面世。

本书可供从事高比能储能电池教学科研的师生、研发管理及工程技术人员学习参考。希望通过本书的出版，及时总结凝练研究成果，为读者带来新的启示和思考，共同推动锂硫电池技术在临近空间飞行器领域的创新与发展。

由于时间仓促、作者水平有限，书中难免存在疏漏与不足，敬请读者谅解和批评指正。

作者2024 年 9 月

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