中國儲能網訊：近年來，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(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, 18510?18513）；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, 8363?8367）；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, 13186?13200）。
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重要進展。研究結果發(fā)表在近期Adv. Mater. (2014, 26, 1261?1265)上，并被選為當期背封面（Back Cover）論文（圖1）。
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(xiàn)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(tǒng)鈉-硫電池由于使用陶瓷電解質，需要在300 oC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?；谝簯B(tài)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(huán)性能差等問題，嚴重影響電池的性能發(fā)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(chuàng)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（圖2），從而使得其基于硫質量計算的正極首圈放電容量高達1610 mA h g-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?；陔姌O材料計算，該室溫鈉-硫電池的首圈放電比能量可高達955 W h kg-1，循環(huán)200圈后仍可穩(wěn)定在750 W h kg-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。
圖1 刊載室溫鈉-硫電池工作期刊的當期背封面
圖2 基于限域小硫分子的室溫鈉-硫電池電化學
