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科學(xué)家首創(chuàng)高電壓無負(fù)極鈉硫電池新體系
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科學(xué)家首創(chuàng)高電壓無負(fù)極鈉硫電池新體系 2026年01月13日 來源： 中國科學(xué)報 江慶齡【字體：大 中 小】語音播報 上海交通大學(xué)副教授孫浩團(tuán)隊和中國科學(xué)院院士、復(fù)旦大學(xué)教授彭慧勝團(tuán)隊合作，在國際上首創(chuàng)高電壓、無負(fù)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(shù)提供了新路徑。相關(guān)研究成果近日發(fā)表于《自然》。 當(dāng)前，如何開發(fā)資源豐富、運行安全、儲能高效的電池新體系是全世界面臨的重大挑戰(zhàn)。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(shù)的重要候選路線。然而，基于單質(zhì)硫到硫化鈉的低價態(tài)反應(yīng)路徑（S0/S2-）使電池的放電電壓普遍低于1.6伏，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)鋰/鈉離子電池。同時，該低價態(tài)反應(yīng)導(dǎo)致負(fù)極需要過量使用化學(xué)性質(zhì)活潑的金屬鈉，給電池制備及運行帶來嚴(yán)重的安全隱患。 針對上述挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊提出基于高價態(tài)硫反應(yīng)路徑（S0/S4+）的高電壓、無負(fù)極的鈉硫電池體系，使該電池放電電壓大幅提升至3.6伏，并能于充電時在負(fù)極原位生成鈉金屬，從而實現(xiàn)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。團(tuán)隊進(jìn)一步揭示了S0/S4+高價態(tài)氧化還原反應(yīng)機(jī)制。通過優(yōu)選含二氰胺鈉的氯鋁酸鹽電解液，從分子尺度上破解了高價硫轉(zhuǎn)化反應(yīng)能壘高、可逆性差的難題。 在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊合成了能夠高效催化硫單質(zhì)高價態(tài)轉(zhuǎn)化的鉍/共價有機(jī)框架材料，顯著提升了硫正極的充放電深度和反應(yīng)動力學(xué)。高價態(tài)正極反應(yīng)及無負(fù)極結(jié)構(gòu)賦予該電池體系優(yōu)異的應(yīng)用潛力，使其可在零下40攝氏度至80攝氏度的超寬溫域內(nèi)穩(wěn)定運行，且在擱置400天后仍能正常工作，預(yù)估材料成本與傳統(tǒng)鈉電池相比具有優(yōu)勢。 此外，研究團(tuán)隊制備出安時級電池及柔性纖維狀電池，并系統(tǒng)驗證了其在點燃、彎曲、切割等系列實際應(yīng)用場景下的安全性，展示出多場景應(yīng)用潛力。團(tuán)隊還將鈉硫電池拓展至高電壓、無負(fù)極鋰硫電池體系，初步驗證了高價態(tài)硫轉(zhuǎn)化反應(yīng)路徑的普適性。 該研究不僅突破了長期制約堿金屬-硫電池體系發(fā)展關(guān)鍵性能局限，更為構(gòu)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(shù)支撐，有望在大規(guī)模儲能、低空經(jīng)濟(jì)、人工智能、國防軍事等重大需求領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用，為實現(xiàn)國家能源轉(zhuǎn)型與“雙碳”目標(biāo)提供關(guān)鍵支撐。 相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09867-2 |
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孫浩團(tuán)隊Nature發(fā)文，為發(fā)展新一代大規(guī)模儲能技術(shù)提供全新路徑 發(fā)布時間：2026年01月08日 當(dāng)前鋰離子電池面臨資源豐度和安全性限制。如何開發(fā)資源豐富、運行安全、儲能高效的電池新體系是全世界面臨的重大挑戰(zhàn)。上海交大科研團(tuán)隊的最新成果給出了一個解決方案。 北京時間2026年1月8日零時，上海交通大學(xué)變革性分子前沿科學(xué)中心孫浩副教授團(tuán)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/S2−低價態(tài)反應(yīng)路徑變革為S0/S4+的高價態(tài)反應(yīng)路徑，在國際上首創(chuàng)高電壓、無負(fù)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(shù)提供了全新路徑。 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(shù)的重要候選路線。然而基于單質(zhì)硫到硫化鈉的低價態(tài)反應(yīng)路徑（S0/S2−）使電池的放電電壓普遍低于1.6 V，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)鋰/鈉離子電池。同時，該低價態(tài)反應(yīng)導(dǎo)致負(fù)極需要過量使用化學(xué)性質(zhì)活潑的金屬鈉，為電池制備及運行帶來嚴(yán)重安全隱患。 針對上述挑戰(zhàn)，孫浩團(tuán)隊提出基于高價態(tài)硫反應(yīng)路徑（S0/S4+）的高電壓、無負(fù)極鈉硫電池體系（圖1）�；赟/SCl4的高價態(tài)可逆反應(yīng)（理論容量為3350 mAh/g），使該電池放電電壓大幅提升至3.6 V，并能充電時在負(fù)極原位生成鈉金屬，從而在電池制備過程中不使用鈉金屬，從而顯著提升了電池安全性和成本效益。 圖1. 基于高價態(tài)硫氧化還原反應(yīng)的高電壓、無負(fù)極鈉硫電池 通過系列先進(jìn)表征技術(shù)結(jié)合理論計算分析，團(tuán)隊揭示了S0/S4+高價態(tài)氧化還原反應(yīng)機(jī)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(zhuǎn)化反應(yīng)能壘高、可逆性差的難題。在負(fù)極側(cè)，NaDCA能夠誘導(dǎo)形成富含氮元素的固體電解質(zhì)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(dá)到50 mA/cm2，并在12 mAh/cm2的高面容量條件下穩(wěn)定循環(huán)，為構(gòu)建無負(fù)極電池奠定了關(guān)鍵基礎(chǔ)。 圖2. 電池的電化學(xué)性能及應(yīng)用驗證 研究團(tuán)隊進(jìn)一步通過聚合物材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計，合成出能夠高效催化硫單質(zhì)高價態(tài)轉(zhuǎn)化的鉍/共價有機(jī)框架材料，顯著提升了硫正極的充放電深度和反應(yīng)動力學(xué)，正極比容量最高可達(dá)1206 mAh/g（圖2a），基于正負(fù)極總質(zhì)量計算的能量密度達(dá)到2021 Wh/kg。高價態(tài)正極反應(yīng)及無負(fù)極結(jié)構(gòu)賦予該電池體系優(yōu)異的應(yīng)用潛力，其可在–40 °C至80 °C的超寬溫域內(nèi)穩(wěn)定運行（圖2b），在擱置400天后仍能正常工作（圖2c），預(yù)估材料成本與傳統(tǒng)鈉電池相比具有優(yōu)勢（圖2d）。為了進(jìn)一步驗證該電池體系的可拓展性，團(tuán)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(yīng)用場景下的安全性（圖2g），展示出多場景應(yīng)用潛力。團(tuán)隊也將鈉硫電池拓展至高電壓、無負(fù)極鋰硫電池體系（圖2h），初步驗證了高價態(tài)硫轉(zhuǎn)化反應(yīng)路徑的普適性。 該工作實現(xiàn)了鈉硫電池反應(yīng)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(jié)構(gòu)從“過量鈉金屬”向“無負(fù)極結(jié)構(gòu)”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(guān)鍵性能局限，更為構(gòu)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(shù)支撐，有望在大規(guī)模儲能、低空經(jīng)濟(jì)、人工智能、國防軍事等重大需求領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用，為實現(xiàn)國家能源轉(zhuǎn)型與“雙碳”目標(biāo)提供關(guān)鍵支撐。 上海交通大學(xué)變革性分子前沿科學(xué)中心孫浩副教授和復(fù)旦大學(xué)彭慧勝院士為論文通訊作者。變革性分子前沿科學(xué)中心博士生耿世濤和袁斌（已畢業(yè)）為論文第一作者。該工作得到了國家自然科學(xué)基金項目（22575145、22209108、T2321003和22335003）、科技部國家重點研發(fā)計劃項目（2022YFA1203001 和 2022YFA1203002）、教育部中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金（24X010301678）以及化學(xué)生物協(xié)同物質(zhì)創(chuàng)制全國重點實驗室（sklscbs202557）的資助。同時感謝化學(xué)化工學(xué)院、張江高等研究院的大力支持。 論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09867-2 圖3. 孫浩團(tuán)隊合影 作者感言 “這項基于化學(xué)、能源、材料、催化等多學(xué)科交叉創(chuàng)新成果，得益于上海交大變革性分子前沿科學(xué)中心提供的一流科研學(xué)術(shù)平臺，為年輕科學(xué)家創(chuàng)造出潛心鉆研的學(xué)術(shù)氛圍，引導(dǎo)和激勵我們做出具有變革性影響力的研究工作。衷心感謝丁奎嶺院士、周永豐教授等眾多領(lǐng)導(dǎo)老師的長期關(guān)心與支持，以及復(fù)旦大學(xué)彭慧勝院士給予的重要指導(dǎo)和幫助。感謝課題組全體同學(xué)在論文完成和修改過程中的無私支持，很多同學(xué)放下自己手上的工作加入到文章修改，充分回應(yīng)了審稿人的全部疑問。能夠身處這樣一個團(tuán)結(jié)進(jìn)取的集體是我最大的榮幸。正是這種團(tuán)結(jié)協(xié)作、不畏挑戰(zhàn)的精神，支撐我們在交叉合作中實現(xiàn)源頭創(chuàng)新�！� |
2樓2026-01-14 10:40:09
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