中国新型钠硫电池设计实现2021瓦时/千克能量密度

研究人员通过转向S0/S4+氧化还原反应及采用不易燃电解液，成功制造出更安全的高电压无负极电池。中国上海交通大学的研究团队设计出一种新型钠硫电池，其功率密度和放电容量均超越以往水平，为锂离子电池提供了更廉价、更安全的替代方案。

能源电气化转型推动了对储能设备需求的增长。锂离子电池是目前已知能量密度最高的解决方案，已获得广泛应用。然而，热失控和火灾风险问题阻碍了其在大规模场景中的应用。此外，日益增长的需求推高了锂价，使得储能成本节节攀升。

全球多个研究项目正在寻找锂离子电池的替代方案。钠元素储量丰富且成本低廉，正与不同材料组合开展研究。上海交通大学的研究团队将钠与硫结合，研制出高能量密度电池。

钠硫电池的固有难题

这并非钠硫组合的首次尝试。采用Na-S或S/Na2S化学体系的电池需要大量钠，输出电压却很低。硫的氧化还原反应可产生4个价电子并实现3.6伏电压，但在室温条件下复现该反应始终是重大挑战。

研究人员指出，阴极的S/Na2S转化反应放电电压上限不足1.6伏，远低于锂离子电池。为克服此缺陷，阳极需使用十倍于锂电池的钠含量，这不仅违背使用廉价材料的初衷，还影响了能量密度和功率密度。

转向S0/S4+氧化还原反应

研究团队通过采用S0/S4+氧化还原反应破解了钠硫电池的困局，成功制造出高电压无负极电池。该设计采用铝箔阳极集流体、S8阴极，以及含有双氰胺钠的不可燃氯铝酸盐电解液，中间用玻璃纤维隔膜分隔。

研究人员表示，电解液中的双氰胺阴离子既能激活阴极的S/SCl4化学反应，又可提升阳极钠电镀/剥离的可逆性。改进设计的优越性能体现为：最高能量密度达1,198瓦时/千克，放电容量达715毫安时/克，功率密度高达23,773瓦/千克。

当研究团队在阴极添加Bi-COF催化剂后，放电容量进一步提升至1,206毫安时/克，能量密度跃升至2,021瓦时/千克。

成本优势与待解难题

该钠硫电池成本估计为每千瓦时5.03美元，比锂离子电池低一个数量级。由于采用不易燃电解液，其安全性得到显著提升。

但在商业化之前仍需攻克若干难题：电解液虽不易燃却具有强腐蚀性且难以处理；其在空气中仅具备短期稳定性，长期稳定性尚未可知。研究团队相信这些问题终将解决，并有助于提升从可穿戴设备到电网级储能系统的设备安全性。

此项研究成果已发表于《自然》期刊。

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