中國教育報-中國教育新聞網(wǎng)訊（記者 任朝霞）日前，上海交通大學(xué)副教授孫浩團隊和中國科學(xué)院院士、復(fù)旦大學(xué)教授彭慧勝團隊合作，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)研究成果在《自然》雜志在線發(fā)表。

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)。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1.6V，遠低于傳統(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)，團隊提出基于高價態(tài)硫反應(yīng)路徑（S0/S4+）的高電壓、無負(fù)極的鈉硫電池體系。基于S/SCl4的高價態(tài)可逆反應(yīng)（理論容量為3350mAh/g），使該電池放電電壓大幅提升至3.6V，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，顯著提升了電池安全性和成本效益。

通過系列先進表征技術(shù)結(jié)合理論計算分析，團隊揭示了S0/S4+高價態(tài)氧化還原反應(yīng)機制。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。

研究團隊進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，其可在-40℃至80℃的超寬溫域內(nèi)穩(wěn)定運行，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。

為了進一步驗證該電池體系的可拓展性，團隊成功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。團隊也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。

團隊表示，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、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。