北京
研究人員通過轉向S0/S4+氧化還原反應及采用不易燃電解液，成功制造出更安全的高電壓無負極電池。中國上海交通大學的研究團隊設計出一種新型鈉硫電池，其功率密度和放電容量均超越以往水平，為鋰離子電池提供了更廉價、更安全的替代方案。
能源電氣化轉型推動了對儲能設備需求的增長。鋰離子電池是目前已知能量密度最高的解決方案，已獲得廣泛應用。然而，熱失控和火災風險問題阻礙了其在大規模場景中的應用。此外，日益增長的需求推高了鋰價，使得儲能成本節節攀升。
全球多個研究項目正在尋找鋰離子電池的替代方案。鈉元素儲量豐富且成本低廉，正與不同材料組合開展研究。上海交通大學的研究團隊將鈉與硫結合，研制出高能量密度電池。
鈉硫電池的固有難題
這并非鈉硫組合的首次嘗試。采用Na-S或S/Na2S化學體系的電池需要大量鈉，輸出電壓卻很低。硫的氧化還原反應可產生4個價電子并實現3.6伏電壓，但在室溫條件下復現該反應始終是重大挑戰。
研究人員指出，陰極的S/Na2S轉化反應放電電壓上限不足1.6伏，遠低于鋰離子電池。為克服此缺陷，陽極需使用十倍于鋰電池的鈉含量，這不僅違背使用廉價材料的初衷，還影響了能量密度和功率密度。
轉向S0/S4+氧化還原反應
研究團隊通過采用S0/S4+氧化還原反應破解了鈉硫電池的困局，成功制造出高電壓無負極電池。該設計采用鋁箔陽極集流體、S8陰極，以及含有雙氰胺鈉的不可燃氯鋁酸鹽電解液，中間用玻璃纖維隔膜分隔。
研究人員表示，電解液中的雙氰胺陰離子既能激活陰極的S/SCl4化學反應，又可提升陽極鈉電鍍/剝離的可逆性。改進設計的優越性能體現為：最高能量密度達1,198瓦時/千克，放電容量達715毫安時/克，功率密度高達23,773瓦/千克。
當研究團隊在陰極添加Bi-COF催化劑后，放電容量進一步提升至1,206毫安時/克，能量密度躍升至2,021瓦時/千克。
成本優勢與待解難題
該鈉硫電池成本估計為每千瓦時5.03美元，比鋰離子電池低一個數量級。由于采用不易燃電解液，其安全性得到顯著提升。
但在商業化之前仍需攻克若干難題：電解液雖不易燃卻具有強腐蝕性且難以處理；其在空氣中僅具備短期穩定性，長期穩定性尚未可知。研究團隊相信這些問題終將解決，并有助于提升從可穿戴設備到電網級儲能系統的設備安全性。
此項研究成果已發表于《自然》期刊。
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