強！上海交通大學博士生一作發《Nature》

近日，上海交通大學變革性分子前沿科學中心長聘教軌副教授、呂志和科學園入駐科學家孫浩團隊在《Nature》在線發表題為“High-voltage anode-free sodium-sulfur batteries”的研究論文。團隊成功研發了高電壓、無負極鈉硫電池新體系，創新了傳統堿金屬-硫電池的反應路徑與結構設計。這項成果不僅實現了從低價態還原到高價態氧化的反應路徑，更有望解決傳統鈉硫電池電壓低、安全性差的難題。上海交通大學博士生耿世濤以第一作者身份，參與了這項創新成果的研發。

耿世濤

變革性分子前沿科學中心2022級博士生（學籍：化學化工學院，張江高等研究院屬地化管理學生），師從變革性分子前沿科學中心長聘教軌副教授、呂志和科學園入駐科學家孫浩。博士期間研究方向聚焦于低成本、可持續的硫氯電池體系。其參與的研究成果發表于國際頂級學術期刊 Nature，論文報道了一種高電壓無負極鈉–硫電池新體系，通過引入高價態硫（S0/S4+）的可逆氧化還原反應，并結合新型含氯電解液設計，在無需預置金屬鈉負極的條件下實現穩定循環，為發展低成本、高能量密度儲能技術提供了新的研究思路。此外，他還以第一作者或共同第一作者身份在 Nature Communications 等期刊發表多篇研究論文。

從前沿問題出發，而不是從結果開始

耿世濤的博士研究方向聚焦于低成本、可持續的硫氯電池體系。在他看來，科研的起點并不在于某一次性能提升，而在于對領域核心問題的持續追問。長期以來，鈉–硫電池體系因反應路徑受限、體系穩定性不足等問題，始終在電壓和安全性上面臨挑戰。若沿用既有思路推進，研究很容易陷入性能優化的“局部改進”，卻難以推動體系層面的演進。

正是在這樣的背景下，團隊開始重新審視硫在電化學反應中的角色。基于此前在鹵族元素氧化還原體系中的研究積累，研究人員逐漸萌生出一個大膽的設想：是否有可能跳出傳統低價態硫的反應框架，探索硫在更高價態下的可逆反應行為？這一問題，成為后續研究的重要起點。

實驗室團隊合影

在判斷、分歧與失敗中逼近答案

論文中提出的高價態硫（S0/S4+）可逆反應路徑，并非一開始就被視為“穩妥選擇”。在最初的探索階段，團隊也曾擔憂該路徑在動力學過程和循環穩定性方面面臨巨大挑戰。圍繞反應機理、界面行為及體系可行性，團隊多次展開深入討論，并系統設計了大量預研實驗加以驗證。

研究的關鍵轉折，出現在對含氯電解液組分進行重新設計之后。實驗中，研究人員首次觀察到單質硫在高價態下呈現出較為清晰的可逆充放電行為。這一現象此前從未在傳統鈉–硫電池體系中被報道，也讓團隊意識到，這或許并非一次偶然結果。與此同時，團隊進一步將研究推進至“無負極”電池架構。相比傳統結構，無負極鈉–硫電池無需預置金屬鈉負極，而是在充電過程中依賴電解液中鈉離子的原位沉積，在材料利用率和能量密度上具有顯著優勢。但正因如此，體系對界面穩定性和反應可控性的要求也更為嚴苛。如何高效利用生成的金屬鈉，同時抑制含氯電解液對關鍵界面的腐蝕行為，成為研究中最具挑戰性的難題。

基于高價態硫氧化還原反應的高電壓、無負極鈉硫電池

真正讓團隊建立起信心的，并非單一性能指標的提升，而是一整套相互印證的證據鏈。通過原位拉曼光譜，研究人員直接捕捉到硫正極在循環過程中的高價態可逆轉化；結合 X 射線光電子能譜分析，在負極側觀察到富含氮化物的穩定無機固態電解質界面（SEI）形成。這些微觀結構與化學狀態的直接證據，與體系在循環穩定性和倍率性能上的優異表現形成邏輯閉環，從機理層面驗證了該體系的可靠性與可重復性。

在協作中完成研究，在反思中理解科研

作為一項高度協作的成果，這篇Nature論文的完成離不開團隊的緊密配合。耿世濤在研究中主要負責整體實驗方案設計、電化學性能測試、電池關鍵性能表征以及論文初稿撰寫，與孫浩老師共同制定了詳細的研究計劃，并負責協調各實驗模塊的進度安排，同時及時對階段性實驗數據進行匯總與分析。另一位第一作者袁斌及課題組多位成員，也在電池性能系統性表征、材料制備與多維度表征測試中作出了重要貢獻。

在耿世濤看來，高水平科研合作并非簡單的分工執行，而是建立在充分溝通與反復驗證基礎上的共同判斷。“分歧在研究中是常態，但真正重要的是回到數據本身，通過實驗去回答問題。”正是在這樣的協作機制下，研究思路得以不斷修正、深化。

孫浩團隊

回顧這項研究經歷，他對“什么是好研究”也有了更深的理解。在他看來，真正有價值的研究，應當直面領域最關鍵的科學問題，具備源頭性的創新，同時能夠為后續研究提供啟發性的方向。相比單一的性能突破，對反應機制和失效行為的深入理解，往往更具長期意義。“很多時候，看似不理想的實驗結果，反而隱藏著最重要的信息。”耿世濤認為，學會分析失敗、與失敗對話，是科研過程中不可或缺的一部分。未來，他希望繼續圍繞硫基電池體系展開深入研究，在安全性、穩定性與應用潛力等方面持續探索，為新型儲能技術的發展貢獻力量。

文稿 | 洪瑀晴、耿世濤

編輯 | 李婧貤

責任編輯 | 鄭雨涵