第一作者：雷耀杰

通讯作者：赖伟鸿*，陈明哲*，王云晓*

单位：卧龙岗大学，南京理工大学，上海理工大学

由于高容量，资源丰富，价格低廉等优势，使得室温钠硫电池有望能够进行大规模储存而得到许多关注。然而，由于硫和多硫化物较差的导电性，多硫化物穿梭效应，以及钠和硫的动力学反应活性较差等等问题，钠硫电池循环和容量性能被严重限制。本文通过对钠硫电池正极材料的当前问题以及机理的深入探讨，着重总结了当前室温钠硫电池正极的研究进展。最后，对于未来钠硫电池的实际化应用，总结了几条未来研究方向。

基于此，卧龙岗大学赖伟鸿博士，王云晓博士联合南京理工大学陈明哲教授，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“A Review on the Status and Challenges of Cathodes in Room-Temperature Na-S Batteries”的综述文章。该文章总结了钠硫电池正极的当前挑战和科学问题，围绕这些问题总结了当前的钠硫电池正极材料的研究进展, 最终提出了温室钠硫电池正极未来的商业化发展方向。

图一，室温钠硫电池正极的主要挑战

图二，室温钠硫电池正极的主要改进策略

例如硫正极的放电时，硫从环状S₈还原成为Na₂S的过程中，体积大约膨胀171%，为此会造成电极材料的脱落；S₈在放电反应中首先会生成长链硫，长链硫在电解液中有很大的溶解度，溶解在电解液中的长链硫 (Na₂S_x, 4≤S≤8) 会穿过隔膜在移动到负极，多硫化物在于负极Na反应生成的固态短链硫，例如Na₂S, 会在负极沉积，造成活性物质（硫）的损失，使得容量快速衰减；此外，硫与钠的氧化还原反应很缓慢，尤其在短链硫的固固反应过程中，不可逆的Na₂S是导致容量衰减的很重要原因。

要点二：室温钠硫电池正极材料的主要提升策略

1 物理调控法：多孔母体碳材料的使用，碳壳和层状碳使用，碳纳米管和碳纤维的使用。

2 化学相互作用，这部分主要为加入金属催化剂来调控对多硫化物的吸附，以催化来加快硫的氧化还原反应。催化剂包括金属单原子，金属氧化物，金属硫化物，金属磷化物，金属氮化物，金属碳化物等等。在这些催化剂当中，金属氮化物和金属碳化物相比其他催化剂不仅可以起催化作用，而且本身就具有很好的导电性，然而目前仍没有多少研究。

3 氧化还原介质 （RMs）：RMs是氧化还原介质，用于通过电子转移提高电池性能。RMs作为电子供体和收集体，在电池运作过程中可以增强电子转移。它们在放电过程中从活性物质(硫和多硫化物)中获取电子，有利于还原反应; 在充电过程中，RMs可以加速多硫化物的电子供给，有利于氧化反应。

4 共价固定策略：共价固定是指S可以通过硫碳之间的共价键来固定，使得硫成为化合物中的一部分。因此，共价键固定后的硫不仅能够提供容量参与氧化还原反应，同时能够通过共价固定作用有效的防止多硫化物的溶解。

5 硫族元素替换策略：Se， Te等和硫在同一族，有着类似的原子结构。相比S， Se和Te具有更好的导电性；此外，Se取代硫后进行氧化还原反应，通常一步生成Na₂Se, 这样可以很大的避免长链多硫化物的溶解和体积膨胀的缺点；此外，Se和电解液有更好的兼容性。

要点三：室温钠硫电池正极材料在未来商业化途中的发展方向

1 下一代Na-S电池正极材料的研究应该着眼于使Na-S电池具有商业化价值。室温钠硫电池应该和锂硫电池一样着重于软包性能的提升。为了实现这一点，我们必须了解目前阻碍软包室温钠硫电池组装中的缺点，并在此方向上进行更多的研究。这里，我们总结了如下几个重要方面。

2 碳材料的使用是可以改善硫导电性的一个非常有效的方法；此外，碳材料的多孔性和表面化学特性的调控，可以改善多硫化物的穿梭效应。然而，如何使用少量的碳材料以达到硫的高载量是一个很未来很有挑战性的问题。眼下，所有的研究硫载量相比锂硫电池都很低，活性物质的质量百分比会直接影响到软包电池的能量密度。此外，碳材料通常不亲和电解液，因此我们需要更多的电解液来润湿碳材料，这无形中将增加了软包电池的质量，使得能量密度降低。因此，需要开发更优秀的，具有易浸湿功能的碳材料需要被进一步研究。

3 电解液/硫：这是一个老生常谈的话题，任何硫类电池商业化过程中都无法绕开的话题。简而言之，电解液越少，硫的载量越高，所得到的能量密度显然更大。当前的钠硫电池正极材料研究很少涉及到这一点。因此，未来的研究必须要严格的把控这一步，这样正极材料的改进才显得更有意义。

4 硫正极的硫载量：当前的研究中，室温钠硫电池正极的硫的载量相对于锂硫电池非常低，而且钠硫电池的硫的使用率也很低。因此，如何提高硫载量和硫的使用率是一个非常重要的研究方向。

5 正极材料大规模量产：现有的实验室正极材料研究和生产步骤都非常繁杂，而且产量很低，这对于工业化生产是致命的。工业化研究通常需要简单的步骤，便宜的原材料，很高的产量。很明显，当前的钠硫电池正极无法满足这些需求。

6 体积膨胀：钠硫电池在正极的氧化还原反应中，硫通常会发生很大的体积膨胀，高达171%。这样使得正极材料在不断地循环中很容易造成物理解体。解决这个问题的方法一方面是开发更好的粘合剂，使用更加先进的碳材料；另一方面使用硫化钠正极，例如直接将Na₂S_x装载在碳材料中。

A Review on the Status and Challenges of Cathodes in Room-Temperature Na-S Batteries

Yao-Jie Lei, Han-Wen Liu, Zhuo Yang, Ling-Fei Zhao, Wei-Hong Lai,* Mingzhe Chen,* Huakun Liu, Shixue Dou, and Yun-Xiao Wang*

DOI: 10.1002/adfm.202212600

陈明哲教授简介：南京理工大学能源与动力工程学院紫金青年教授，入选国家高层次海外人才青年项目。固态物理与储能工程课题组长，科技部高端外专项目负责人。硕士毕业于四川大学化学工程学院，博士毕业于澳大利亚伍伦贡大学电子及储能材料研究所，师从国际著名电池催化领域专家窦世学院士、刘华鹍院士及侴术雷教授。

长期从事电池及催化高性能材料基础性研究，以第一作者在包括Nat. Commun., J Am. Chem. Soc., Energy Environ. Sci., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct. Mater.等化工、材料及能源高水平SCI期刊发表论文20余篇，总发表论文数60余篇，ESI高被引论文15篇，总被引次数3200余次，H因子32。主持国家及江苏省自然科学基金2项，工信部专项1项，科技部专项1项等。

曾获国家优秀自费留学生奖及J Mater. Chem. A新锐科学家等荣誉，并长期担任Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Small, J Mater. Chem. A等SCI期刊独立审稿人，邀请主题/口头报告20余次；现为中国高等教育学会资源能源分会理事，Energy Environ. Mater., Material Today Energy, Exploration，Carbon Neutralization及eScience青年编委会成员及Front. Energy Res., Batteries和Crystal等SCI期刊客座编辑, 江苏省高新科技企业认定专家，江苏省智库科技咨询专家等。

王云晓博士的主要研究方向包括新型电池体系（室温钠硫电池，锂硫电池，钾硫电池，锂离子电池，钠离子电池，钠空气电池，锂空气电池， 锂二氧化碳电池等），原子级材料的合成和调控及其电催化性能，以及能量储存与转换中电化学反应的机理探究。

王云晓博士累计在在国际知名刊物发表论文 80 余篇 (一作 19 篇、通讯作者 34 篇), 包括 Nat. Chem. ， J. Am. Chem. Soc. , Nat. Commun. , Angew. Chem. In. Ed., Adv. Mater. , Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater., ACS Nano, Nano Lett., Adv. Funct. Mater. 。论文引用 7700 余次, H 指数为 47 (Google Scholar); 9 篇高被引论文(Web of Science)

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