【复材前沿】上海交大与复旦携手，Nature发表室温钠硫电池突破性成果

01-15 06:21

背景介绍

全球对可持续低成本储能方案需求迫切，室温钠硫电池因钠、硫元素储量丰富及高理论容量受关注，但实际应用存两大瓶颈：一是能量输出低，传统体系基于S/Na₂S转化，放电电压低于1.6V，制约能量密度；二是负极问题，需过量钠金属补偿活性钠损失，增加成本、降低密度且有安全隐患。开发高电压且无需过量钠的钠硫电池是关键挑战，本文针对此提出新化学与结构设计。

本文亮点

核心突破在于解决电压与负极结构限制：一是激活S⁰/S⁴⁺反应，放电电压提至3.6V级；二是首创无负极构型，钠直接在铝集流体沉积/剥离；三是双氰胺阴离子（DCA⁻）兼具催化与稳定SEI膜作用，支撑体系运行。

图文解析

图1. 可逆S/SCI₄转化的正极化学

要点：通过X射线吸收谱、原位拉曼等手段证实S⁰/S⁴⁺可逆转化。NaDCA电解质中，DCA⁻降低反应能垒，使S₈与SCI₄转化在3.6V平稳进行；NaCl电解质则反应困难。气相色谱-质谱检测到SCI₃⁺信号，进一步验证反应可逆性。

图2. NaDCA电解质中钠沉积/剥离性能

要点：NaDCA电解质下钠-铝对称电池库仑效率达96%，循环稳定；NaCl电解质则效率低、过电位大。NaDCA形成富氮SEI膜，促进均匀钠沉积，抑制枝晶；电解质动力学优异，支持高电流密度与面容量。

图3. 无负极Na-S电池电化学性能

要点：NaDCA电解质稳定窗口达4.25V，支撑3.6V放电平台，可逆容量744mAh/g。倍率性能优异，16A/g下仍有715mAh/g容量，能量密度最高1198Wh/kg、功率密度23773W/kg。循环稳定，1400次循环性能佳，宽温域（-40℃至80℃）与长搁置寿命表现突出，引入催化剂后能量密度达2021Wh/kg。