上海交通大學(xué)×復(fù)旦大學(xué)合作發(fā)表最新Nature論文

編輯丨王多魚

排版丨水成文

室溫鈉硫電池因其元素豐度高且具備理論電化學(xué)優(yōu)勢(shì)，有望為傳統(tǒng)鋰基體系提供可持續(xù)儲(chǔ)能方案。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-）使電池放電電壓低（通常低于 1.6 V），遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)鋰/鈉離子電池。此外，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，這為電池的制備及運(yùn)行帶來嚴(yán)重安全隱患，從而嚴(yán)重限制了其實(shí)際應(yīng)用。

2026 年 1 月 7 日，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(duì)聯(lián)合復(fù)旦大學(xué)彭慧勝院士團(tuán)隊(duì)（耿世濤、袁斌為論文共同第一作者），在國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊Nature上發(fā)表了題為：High-voltage anode-free sodium-sulfur batteries 的研究論文。

這項(xiàng)研究將傳統(tǒng)堿金屬-硫電池體系的 S0/S2- 低價(jià)態(tài)反應(yīng)路徑變革為 S0/S4+ 的高價(jià)態(tài)反應(yīng)路徑，在國(guó)際上首創(chuàng)了高電壓、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)提供了全新路徑。

在這項(xiàng)最新研究中，研究團(tuán)隊(duì)提出了基于高價(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，基于硫/四氯化硫（S/SCl4）的高價(jià)態(tài)可逆反應(yīng)，該電池的放電電壓大幅提升至3.6 V，并能充電時(shí)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。

該研究表明，二氰胺鈉（NaDCA）可在不可燃氯鋁酸鹽電解液中同步實(shí)現(xiàn)可逆的 S/SCl4 轉(zhuǎn)化與鈉金屬的沉積/剝離過程。該設(shè)計(jì)基于正負(fù)極總電極質(zhì)量計(jì)算，可實(shí)現(xiàn)最高1198 Wh/kg 的能量密度和 23773 W/kg 的功率密度。此外，通過在硫正極中引入負(fù)載量 8 wt% 的鉍配位共價(jià)有機(jī)框架催化劑，顯著促進(jìn)了 S/SCl4 轉(zhuǎn)化反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了 1206 mAh/g（硫+催化劑）的放電容量，基于總電極質(zhì)量計(jì)算的能量密度達(dá) 2021 Wh/kg。

基于高價(jià)態(tài)硫氧化還原反應(yīng)的高電壓、無負(fù)極鈉硫電池

該無負(fù)極鈉硫電池成本預(yù)估為 5.03 美元/千瓦時(shí)，具備優(yōu)異可擴(kuò)展性，突破了長(zhǎng)期制約堿金屬-硫電池體系發(fā)展關(guān)鍵性能局限，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，在電網(wǎng)儲(chǔ)能、可穿戴電子設(shè)備等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09867-2