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構與納米技術院重點實驗室的研究人員對硫屬元素（S、Se）的電化學性能及其在鋰二次電池方面的應用進行了系統研究。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《德國應用化學》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，化學所分子納米結構與納米技術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。研究結果發表在近期出版的Adv.Mater.(2014,26,12611265)上，并被選為當期背封面（BackCover）論文。

鈉-硫電池是以單質硫為正極，金屬鈉為負極，通過硫與鈉間的電化學反應實現化學能和電能相互轉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，在智能電網等儲能領域具有應用潛力。

然而，傳統鈉-硫電池由于使用陶瓷電解質，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（完全還原時應生成Na2S），降低了正極材料的容量和電池的比能量。基于液態電解質的室溫鈉-硫電池，則受限于硫正極電化學活性低，放電中間產物易溶于電解液等缺點，存在正極活性物質利用率低、循環性能差等問題，嚴重影響電池的性能發揮和實際應用。

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性地將小硫分子正極應用于鈉-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量計算的正極首圈放電容量高達1610mAhg-1，是傳統高溫鈉-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200圈后仍可穩定在750Whkg-1左右。此外，該室溫鈉-硫電池還具有良好的倍率和循環性能。