中科大余彦教授团队 ACS Energy Letters：室温钠硫电池研究进展

本文信息

室温钠硫电池研究进展第一作者：张世鹏

通讯作者：姚雨*，余彦*

单位：中国科学技术大学

研究背景

锂离子电池（LIBs）已经在各类便携式电子设备和电动汽车的商业化应用中取得了巨大的成功。然而，传统材料插层电化学的反应机制决定了LIBs的能量密度极其有限，使得其已逐渐难以满足未来社会的生产需求。同时，锂资源的稀缺及其在全球分布不均等问题也导致锂离子电池无法满足大规模储能应用。

近年来，具有高容量、高比能和低成本优势的室温钠硫（RT Na-S）电池技术受到了科学家们的青睐，也被认为是未来最具潜力的规模化储能系统之一。然而，RT Na-S电池面临着正极硫电导率低、中间产物易溶解穿梭、循环过程中材料巨大体积膨胀以及金属钠负极枝晶生长等关键问题，导致其实际比容量低，循环寿命短。因此，如何对RT Na-S电池关键材料进行合理的结构设计和组分优化，进而提高电池性能并明晰材料反应机理是亟待解决的关键难题。

文章简介

近日，中国科学技术大学的余彦教授团队在国际知名期刊ACS Energy Letters（影响因子：19.003）上发表题为“Frontiers for Room-Temperature Sodium-Sulfur Batteries”的观点文章。

本文简析了RT Na-S电池的基本电化学、技术优势及其发展历程，并结合其关键组份（如正极、负极、电解质和隔膜等）重点阐述了构建高性能RT Na-S电池所面临的挑战及相应的解决策略。

最后，作者还展望了RT Na-S电池未来发展中应重点关注的方向，为加深对钠-硫电化学的机理理解，提高其电化学性能并促进商业化应用提供了有益指导。

图1. 调控室温钠硫电池电化学的几种策略

本文要点

要点一：合理设计硫载体

通过物理限域将硫限制在微孔碳中或者利用化学键作用（如碳硫键）“固”硫可以赋予室温钠硫电池极好的循环稳定性，然而较低的活性硫负载量（通常低于50%）会导致电池的能量密度难以满足实际应用需求。而高活性纳米粒子（如极性过渡金属化合物、金属原子团簇等）能够有效提高硫的利用率，催化硫的转化过程，有望用于设计高载硫、高比能RT Na-S电池。此外，在硫分子中引入硒、碲等元素可以改变硫的电化学反应路径，提高其反应动力学过程，也是实现高性RT Na-S电池的重要策略。

要点二：保护金属钠负极

尽管金属钠具有较高的理论容量和较低的氧化还原电位，然而循环过程中由于不均匀的钠离子沉积会导致不稳定的SEI及钠枝晶的形成，进而恶化电池性能，甚至带来安全隐患。因此，保护金属钠负极对于实现室温钠硫电池的商业化应用具有重要意义。通过简单的化学反应或原子/分子层沉积技术在钠金属表面建立人工SEI保护膜可以诱导钠离子均匀沉积，抑制枝晶生长。此外，开发高效的导电骨架用作金属钠的载体，可以避免电极的局部电流密度集中，进一步抑制钠枝晶生长。

要点三：优化电解质和隔膜

采用高浓度电解液是抑制多硫化物穿梭，提高材料电化学性能的有效途径，然而高浓度电解液也会降低离子迁移率，增加电池成本。固态电解质能够消除多硫化物的溶解穿梭问题，并极大地增强电池的安全性，但其面临着室温离子电导率低及界面兼容性或稳定性差的挑战。因此，对电解质组分及添加剂等进行优化，并综合平衡这些因素间的关系是开发高性能、可实用化RT Na-S电池的关键。此外，对隔膜进行改性也是提高硫的利用率，改善RT Na-S电池电化学性能的常用手段。

要点四：未来展望

将理论计算与多种电化学测试技术（如GITT、CV等）及原位表征方法（如原位Raman、NMR、XRD、TEM）相结合，有助于深入理解室温钠硫电化学体系的反应机理（如材料的反应、SEI的形成及电解液的分解等），并指导电极材料的结构设计，提高电池的性能。此外，实验室应该建立标准化参数，并在更实际的条件下进行性能评估，以促进RT Na-S电池的商业化应用。

文章链接

Frontiers for Room-Temperature Sodium-Sulfur Batteries

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.0c02488

通讯作者介绍

余彦 教授.

中国科学技术大学材料科学与工程系教授，博士生导师。国家杰出青年基金获得者；入选英国皇家化学会会士，现兼任Journal of Power Sources副主编。主要研究方向为高性能锂离子电池、钠离子电池、锂硫电池等关键电极材料的设计合成及储能机制。目前在Science，Nature Energy，Adv. Mater.，等国际著名期刊上发表论文200余篇，其中包括通讯作者发表Adv. Mater. 30余篇。SCI他引18000余次，H因子76。入选“科睿唯安”以及“爱思唯尔”材料类高被引学者榜单。曾获得德国洪堡基金会“索菲亚奖”、中国硅酸盐学会青年科技奖、中国化工学会侯德榜科技青年奖、安徽省自然科学一等奖（第一完成人）、第16届中国青年科技奖等奖项。

姚雨 博士.

2020年博士毕业于中国科学技术大学，随后在余彦教授课题组继续从事博士后研究工作，主要研究方向为高比能二次电池电极材料的设计及机理研究。目前以一作在Adv. Mater.，Adv. Energy Mater.，ACS Nano，Nano Lett等著名学术期刊上发表多篇学术论文。曾获得"博士后创新人才支持计划"、中科院院长特别奖、中科院特别研究助理、安徽省优秀毕业生、中国科大优秀博士论文奖等奖项。

第一作者介绍

张世鹏.

西北大学光子学与光子技术研究所在读博士，于2019年至中国科学技术大学材料科学与工程系余彦教授课题组进行联合培养，迄今为止以第一作者（含共一）发表数篇高水平SCI论文，其中包括：ACS Energy Lett., Materials Today, Acc. Chem. Res., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Small, 现阶段研究主要方向为新型储能材料的开发与利用。曾获得中国科大洁净能源和纳米材料实验室“年度未来之星”大赛一等奖，2020年博士研究生国家奖学金等奖项。

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