突破電壓及安全性限制！上海交大國際首創(chuàng)鈉硫電池新體系

圖片來源：上海交通大學

據(jù)上海交通大學消息，1月8日，上海交通大學變革性分子前沿科學中心孫浩副教授團隊在《自然》（Nature）在線發(fā)表題為“High-voltage anode-free sodium-sulfur batteries”的研究論文，這項研究將傳統(tǒng)堿金屬-硫電池體系的S⁰/S^2?低價態(tài)反應路徑變革為S⁰/S⁴⁺的高價態(tài)反應路徑，在國際上首創(chuàng)高電壓、無負極的鈉硫電池新體系，有效突破了放電電壓和安全性方面的限制，為發(fā)展新一代大規(guī)模儲能技術提供了全新路徑。

據(jù)介紹，室溫鈉硫電池具有高元素豐度和低成本優(yōu)勢，是大規(guī)模儲能技術的重要候選路線。然而基于單質硫到硫化鈉的低價態(tài)反應路徑（S⁰/S^2?）使電池的放電電壓普遍低于1.6V，遠低于傳統(tǒng)鋰/鈉離子電池。同時，該低價態(tài)反應導致負極需要過量使用化學性質活潑的金屬鈉，為電池制備及運行帶來嚴重安全隱患。

圖1. 基于高價態(tài)硫氧化還原反應的高電壓、無負極鈉硫電池

針對上述挑戰(zhàn)，孫浩團隊提出基于高價態(tài)硫反應路徑（S⁰/S⁴⁺）的高電壓、無負極的鈉硫電池體系（圖1）。基于S/SCl₄的高價態(tài)可逆反應（理論容量為3350mAh/g），使該電池放電電壓大幅提升至3.6V，并能充電時在負極原位生成鈉金屬，從而在電池制備過程中不使用鈉金屬，顯著提升了電池安全性和成本效益。

通過系列先進表征技術結合理論計算分析，團隊揭示了S⁰/S⁴⁺高價態(tài)氧化還原反應機制。通過優(yōu)選含二氰胺鈉（NaDCA）的氯鋁酸鹽電解液，從分子尺度上破解了高價硫轉化反應能壘高、可逆性差的難題。在負極側，NaDCA能夠在負極誘導形成富含氮元素的固體電解質中間相（如NaCN和Na₃N），該獨特界面鈍化層使鈉金屬可逆沉積/剝離的最大電流密度達到50mA/cm²，并在12mAh/cm²的高面容量條件下穩(wěn)定循環(huán)，為構建無負極電池奠定了關鍵基礎。

圖2. 電池的電化學性能及應用驗證

研究團隊進一步通過聚合物材料的化學結構設計，合成出能夠高效催化硫單質高價態(tài)轉化的鉍/共價有機框架材料，顯著提升了硫正極的充放電深度和反應動力學，正極比容量最高可達1206mAh/g（圖2a），基于正負極總質量計算的能量密度達到2021Wh/kg。高價態(tài)正極反應及無負極結構賦予該電池體系優(yōu)異的應用潛力，其可在–40°C至80°C的超寬溫域內穩(wěn)定運行（圖2b），在擱置400天后仍能正常工作（圖2c），預估材料成本與傳統(tǒng)鈉電池相比具有優(yōu)勢（圖2d）。為了進一步驗證該電池體系的可拓展性，團隊成功制備出安時級電池（圖2e）及柔性纖維狀電池（圖2f），并系統(tǒng)驗證了其在點燃、彎曲、切割等系列實際應用場景下的安全性（圖2g），展示出多場景應用潛力。團隊也將鈉硫電池拓展至高電壓、無負極鋰硫電池體系（圖2h），初步驗證了高價態(tài)硫轉化反應路徑的普適性。

該工作實現(xiàn)了鈉硫電池反應從“低價態(tài)還原”到“高價態(tài)氧化”的路線創(chuàng)新，推動了電池結構從“過量鈉金屬”向“無負極結構”的重要跨越。不僅突破了長期制約堿金屬-硫電池體系發(fā)展關鍵性能局限，更為構建低成本、可持續(xù)、高性能的新型儲能體系提供了理論依據(jù)與技術支撐，有望在大規(guī)模儲能、低空經濟、人工智能、國防軍事等重大需求領域發(fā)揮關鍵作用，為實現(xiàn)國家能源轉型與“雙碳”目標提供關鍵支撐。上海交通大學變革性分子前沿科學中心孫浩副教授和復旦大學彭慧勝院士為論文共同通訊作者。變革性分子前沿科學中心博士生耿世濤和袁斌（已畢業(yè)）為論文共同第一作者。