基于限域小硫分子的室溫鈉-硫電池電化學

近年來，中國科學院化學研究所分子納米結(jié)構(gòu)與納米技術(shù)院重點實驗室的研究人員對硫?qū)僭兀⊿、Se）的電化學性能及其在鋰二次電池方面的應(yīng)用進行了系統(tǒng)研究。前期研究中，他們提出利用碳納米孔道限域的鏈狀小硫分子解決鋰-硫電池中多硫離子溶出難題，研制出具有長循環(huán)壽命的鋰-硫電池（J.Am.Chem.Soc.,2012,134,1851018513）；并成功將該納米孔道限域鏈狀分子思想拓展到硒正極上，研制出新型高體積能量密度鋰-硒電池（Angew.Chem.Int.Ed.,2013,52,83638367）；并應(yīng)《德國應(yīng)用化學》期刊邀請撰寫鋰-硫電池方面綜述論文（Angew.Chem.Int.Ed.,2013,52,1318613200）。

最近，在國家自然科學基金委、科技部和中國科學院的支持下，化學所分子納米結(jié)構(gòu)與納米技術(shù)院重點實驗室的研究人員，在新型高比能室溫鈉-硫電池研究方面又取得新進展。研究結(jié)果發(fā)表在近期出版的Adv.Mater.(2014,26,12611265)上，并被選為當期背封面（BackCover）論文。

鈉-硫電池是以單質(zhì)硫為正極，金屬鈉為負極，通過硫與鈉間的電化學反應(yīng)實現(xiàn)化學能和電能相互轉(zhuǎn)換的一類金屬二次電池。同鋰-硫電池類似，鈉-硫電池的正極（S）和負極（Na）也具有很高的理論比容量，使其比能量遠高于目前廣泛使用的鋰離子電池，在智能電網(wǎng)等儲能領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。

然而，傳統(tǒng)鈉-硫電池由于使用陶瓷電解質(zhì)，需要在300C以上才能工作，存在安全隱患。此外，放電過程中，硫的還原也不完全，僅能生成Na2S3（完全還原時應(yīng)生成Na2S），降低了正極材料的容量和電池的比能量。基于液態(tài)電解質(zhì)的室溫鈉-硫電池，則受限于硫正極電化學活性低，放電中間產(chǎn)物易溶于電解液等缺點，存在正極活性物質(zhì)利用率低、循環(huán)性能差等問題，嚴重影響電池的性能發(fā)揮和實際應(yīng)用。

鑒于鋰-硫電池與室溫鈉-硫電池之間的相似性，化學所的研究人員開創(chuàng)性地將小硫分子正極應(yīng)用于鈉-硫電池中，并配合鈉負極和碳酸酯電解液組裝出室溫下即可工作的原型電池。

由于該鏈狀小硫分子室溫下具有非常高的對鈉電化學活性，放電過程中可完全被還原為Na2S，從而使得其基于硫質(zhì)量計算的正極首圈放電容量高達1610mAhg-1，是傳統(tǒng)高溫鈉-硫電池中硫正極材料的理論容量的三倍。基于電極材料計算，該室溫鈉-硫電池的首圈放電比能量可高達955Whkg-1，循環(huán)200圈后仍可穩(wěn)定在750Whkg-1左右。此外，該室溫鈉-硫電池還具有良好的倍率和循環(huán)性能。