室温钠硫电池的研究进展与过渡金属催化剂材料的应用

室温钠硫电池的研究进展与过渡金属催化剂材料的应用

单位：中国科学院重庆绿色智能技术研究院、德国汉诺威莱布尼茨大学

【研究背景】

与早期高温钠硫电池相比，室温钠硫电池比容量更高、更安全、运行成本更低；另外钠硫电池原材料丰富，有望在大规模储能领域起到削峰填谷的作用。但室温钠硫电池在不同电解液（酯、醚）中的反应机理研究尚不深入，电化学性能距离其理论容量还有很大距离。催化材料可以有效吸附充放电反应过程中产生的可溶性多硫化物，加速多硫化物的氧化还原转化，因此可以在一定程度上提高室温钠硫电池的电化学性能。本文介绍了一些基于过渡金属催化材料的室温钠硫电池的最新研究成果，特别综述了过渡金属催化材料的合成、表征、电化学性能、反应机理等。最后对室温钠硫电池未来的实际应用进行了探讨。 本文为未来室温钠硫电池的研究提供了方向，有助于加速室温钠硫电池领域的研究和实际应用。

【文章简介】

近日，中国科学院重庆绿色智能技术研究院刘玉平研究员、刘双义研究员与德国汉诺威莱布尼茨大学张琳教授在国际知名期刊发表题为《室温钠硫电池中基于过渡金属催化材料的研究》的观点文章，分析了室温钠硫电池的反应机理，总结了基于过渡金属催化材料用于室温钠硫电池的最新研究进展。

图1.室温钠硫电池中使用的过渡金属催化剂材料，包括基于铁、钴、镍、钼、钛、钽和锰的材料。

【本文重点】

重点一：室温钠硫电池在不同电解液（酯、醚）中的充放电机理

目前，室温钠硫电池在不同电解液中的反应机理尚未得到深入研究。在醚类电解液中，一般认为其在放电过程中与锂硫电池类似，经历四个阶段。首先由固相S8转化为长链可溶性Na2S8（2.2 V），再经液-液相转化为可溶性Na2S4（2.2～1.65 V），再转化为固相Na2S2（1.65 V），最后固-固相转化为最终产物Na2S。但在酯类电解液中，由于多硫化钠中Na+的半径较大，很难与酯类电解液反应。另外，通过将S8分子限制在多孔宿主中，室温钠硫电池的化学反应将是“准固态”转化，而不会产生可溶性长链多硫化钠。 这些反应机理仍在探讨中，需要更深层次的分子水平表征技术来进一步研究室温钠硫电池在充放电过程中的反应机理，从而从根本上提高其电化学性能。

重点二：催化材料提升室温钠硫电池电化学性能

硫及其充放电产物具有极差的导电性。近年来，大量研究工作报道了各种室温钠硫电池催化材料，如本综述中的过渡金属催化材料（包括基于铁、钴、镍、钼、钛、钽、锰等的材料），它们都是极性材料，在充放电过程中能够对多硫化物进行强烈的吸附。此外，在充放电过程中，这些催化剂还能通过化学键与多硫化物连接，提高电子转移速率，加速多硫化物的氧化还原转化，最终提高室温钠硫电池的综合电化学性能。本综述介绍了近年来基于过渡金属材料的催化剂，包括催化材料的制备、表征及其对室温钠硫电池性能的影响。

观点三：室温钠硫电池实用化需要解决的几个挑战

室温钠硫电池的综合电化学性能还有很大的提升空间，在投入实用前还有几个挑战亟待解决：1）了解其充放电反应机理；2）优化催化材料。其多步骤的电化学反应需要复合催化剂最大程度地催化每一步反应，同时尽可能降低催化材料的物料配比，廉价、大批量地制备催化剂材料；3）获得稳定廉价的金属钠负极，如三维多孔金属钠载体、保护金属钠负极的人工SEI层、从海水中提取钠的技术；4）选择合适的电解液/添加剂，如安全的固态电解质：5）电池实用参数，如高硫负载、低电解液用量、在宽温度范围内工作等。

【文章链接】

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【通讯作者简介】

刘玉平副研究员简介：2018年于苏州大学获博士学位，随后在德国汉诺威莱布尼茨大学从事科研工作，2022年8月加入中国科学院重庆绿色智能技术研究院。现担任中国科学院海外人才引进项目负责人，主要从事功能纳米材料的设计制备及其在高效储能与转化领域的应用研究。相关研究成果以第一作者身份发表于ACS Nano（3篇）、（2篇）、（2篇）、Nano, Small等，并被等国际权威学术期刊引用，其中高被引论文1篇。

刘双义研究员简介：2010年获香港大学博士学位，随后在美国纽约城市大学能源研究所从事纳米储能材料研究。现为中国科学院重庆绿色智能技术研究院研究员、电化学储能技术研究中心主任，主持中科院百人计划、国家自然科学基金等项目。研究中心专注于先进电化学储能材料与器件的研究与开发，特别是高功率、高能量密度材料与器件的研究。

张林教授简介：2003年毕业于北京师范大学，后在范楼珍教授（现北京师范大学化学学院院长）指导下攻读富勒烯硕士学位。2007年在国家留学基金委项目支持下进入德国莱布尼茨固体与材料研究所（IFW）攻读博士学位，导师为教授（富勒烯研究领域的知名学者），2011年获博士学位（荣誉）。之后在马普学会奖学金支持下，在马普固体所所长指导下开展博士后工作。2012年回到IFW，在德国工程院院士G.教授指导下进入纳米能源材料领域研究。2015年获得德国自然科学基金支持，以PI身份成立研究能源研究组。 2017年获聘汉诺威大学教授，2019年获Heinz-Maier奖提名，主要工作发表于Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Adv. Sci., ACS Nano, Adv. Mater., Adv. Funct. Mater.等高水平期刊。张教授课题组曾获德国自然科学基金（2个项目）、国家留学基金委等项目资助，课题组自2015年成立以来，已有多名合作者回国任教，欢迎申请储能材料领域的博士后、博士（含CSC）项目。