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上海交通大學(xué)副教授孫浩團(tuán)隊(duì)和中國科學(xué)院院士、復(fù)旦大學(xué)教授彭慧勝團(tuán)隊(duì)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(chǔ)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(yùn)行安全、儲(chǔ)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(chǔ)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(jià)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(shí)，該低價(jià)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(yùn)行帶來嚴(yán)重的安全隱患。

針對(duì)上述挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)提出基于高價(jià)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(shí)在負(fù)極原位生成鈉金屬，從而實(shí)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(duì)進(jìn)一步揭示了S0/S4+高價(jià)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(jià)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(duì)合成了能夠高效催化硫單質(zhì)高價(jià)態(tài)轉(zhuǎn)化的鉍/共價(jià)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(dòng)力學(xué)。高價(jià)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(yùn)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(duì)制備出安時(shí)級(jí)電池及柔性纖維狀電池，并系統(tǒng)驗(yàn)證了其在點(diǎn)燃、彎曲、切割等系列實(shí)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(duì)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(yàn)證了高價(jià)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(chǔ)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(chǔ)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(shí)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