研究團(tuán)隊(duì)提出了一種可在室溫下運(yùn)行的高壓鈉硫電池技術(shù)方案，該方案徹底顛覆了 “硫作為離子存儲(chǔ)載體” 的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念。不同于將硫主要用作鈉載體的常規(guī)思路，這款電池的正極化學(xué)體系采用創(chuàng)新設(shè)計(jì)，通過提升硫的氧化態(tài)，并利用氯鋁酸鹽電解液中的氯離子生成四氯化硫（形成硫 / 四氯化硫氧化還原電對(duì)）。電池負(fù)極則采用創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，鈉可直接在鋁集流體表面發(fā)生沉積與剝離反應(yīng)，無需預(yù)先制備鈉金屬負(fù)極。

鈉硫電池的工作原理

這款電池的核心設(shè)計(jì)亮點(diǎn)是無負(fù)極構(gòu)型。

• 充電階段：電解液中的鈉離子被還原，以金屬鈉的形式沉積在鋁箔集流體表面。

• 放電階段：沉積的金屬鈉會(huì)重新剝離，以離子形式回到電解液中。

• 正極反應(yīng)：在硫基正極一側(cè)，硫會(huì)經(jīng)過一系列中間產(chǎn)物逐步被氧化為四氯化硫；其中氯離子作為反應(yīng)參與物，為這種高壓轉(zhuǎn)化反應(yīng)的發(fā)生提供了關(guān)鍵支撐。

相關(guān)論文將該電池定義為3.6 伏級(jí)電池系統(tǒng)，其采用雙氰胺鈉作為關(guān)鍵組分，可在不易燃的氯鋁酸鹽電解液中，同時(shí)實(shí)現(xiàn)硫 / 四氯化硫的可逆轉(zhuǎn)化與鈉的可逆沉積 - 剝離。

鈉硫電池技術(shù)的突出優(yōu)勢(shì)

從電極層面（包含正極與負(fù)極）的測(cè)試數(shù)據(jù)來看，這款電池的能量密度最高可達(dá) 1198 瓦時(shí) / 千克，功率密度最高可達(dá) 23773 瓦 / 千克。

當(dāng)在硫正極中添加鉍配位共價(jià)有機(jī)框架催化劑（Bi-COF，負(fù)載量為 8wt%）后，電極的比容量最高可達(dá) 1206 毫安時(shí) / 克（以硫與催化劑的總質(zhì)量計(jì)算），能量密度峰值進(jìn)一步提升至 2021 瓦時(shí) / 千克（同樣以電極總質(zhì)量計(jì)算）。

此外，實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，該電池具備出色的長(zhǎng)循環(huán)性能，循環(huán)壽命可達(dá) 1400 次；研究團(tuán)隊(duì)還估算出其原材料成本約為 5.03 美元 / 千瓦時(shí)。

當(dāng)然，與現(xiàn)階段所有電池技術(shù)的研發(fā)規(guī)律一致，該技術(shù)面臨的最大挑戰(zhàn)在于，如何將 “電極層面的最優(yōu)性能” 轉(zhuǎn)化為可實(shí)際應(yīng)用的成品電池 —— 成品電池需要能夠承受真實(shí)工況的循環(huán)考驗(yàn)、具備規(guī)模化量產(chǎn)的可行性，同時(shí)在大規(guī)模應(yīng)用中保持安全性與穩(wěn)定性。

盡管如此，該方案仍是一個(gè)極具參考價(jià)值的案例，證明了原本復(fù)雜難控的硫化學(xué)體系，能夠通過創(chuàng)新設(shè)計(jì)被轉(zhuǎn)化為具有實(shí)用價(jià)值的電池技術(shù)。