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                  一步反應——高容量長循環壽命室溫鈉硫電池

                  室溫鈉硫(RT Na-S)電池,由于硫正極材料的高理論比容量以及豐富的自然儲存量等優勢近年來備受關注。但是由于硫的導電性差,多硫化鈉在電解液中溶解穿梭等問題的存在,導致RT Na-S電池容量衰減快、庫侖效率低、自放電嚴重,限制了RT Na-S電池的實際應用。


                  近年來,已有大量報道采用硫/碳復合材料作為RT Na-S電池正極,以提高電極導電性和抑制多硫化物的溶解問題,但多硫化物的形成及其導致的容量衰減仍然是RT Na-S電池研究開發的最大挑戰。理論上,以Na2S為唯一反應產物,且不形成多硫化物的一步Na-S反應將會是最理想RT Na-S電池設計,不僅會獲得高比容量和長循環壽命,還能極大地改善自放電。


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                  南京理工大學夏暉、蘇州大學晏成林及合作者針對這一問題利用超微孔限域實現了一步反應的RT Na-S電池。研究發現:當S以小硫分子形式進入碳微孔后,由于微孔的幾何尺寸限域,只有二維結構的Na2S分子可以在~0.5 nm微孔中形成,從而實現了一步反應。相關結果發表在Advanced Science(DOI: 10.1002/advs.201903246)上。夏老師實驗室使用我公司的產品有箱式爐,管式爐,行星式球磨機。


                  研究者以咖啡渣為原材料,在經碳化、活化處理后得到以~0.5nm狹縫型超微孔為主體的多孔碳材料。以該碳材料作為硫的載體,在負載40wt%的硫單質(ACC-40S)時,硫單質主要以小硫分子(S2-4)的形式進入超微孔內部。將該硫碳復合材料應用于RT Na-S電池,通過原位紫外測試(In situ UV-vis spectrometer Measurements)以及密度泛函理論(DFT)計算的輔助證明,在整個充放電過程中,多硫化物中間產物的形成被抑制,該體系僅有一個反應產物出現即:Na2S。計算結果表明,當微孔尺寸小于0.75 nm時,即使是最小的多硫化物Na2S2分子的形成也是熱力學不穩定的,只有二維分子結構的Na2S分子可以自由形成,說明利用微孔限域可以有效實現從S單質到Na2S的一步反應。該反應機制使得ACC-40S電極在RT Na-S電池中,在0.1C電流密度下,獲得1492mAh g-1的高可逆比容量和長循環壽命(2000次循環后95%容量保持率 )。更為重要的是,采用ACC-40S電極的RT Na-S電池也表現出極低的自放電,其容量日衰減率僅為0.17%,使其在大規模儲能中具有潛在的應用前景。


                  本工作為室溫鈉硫電池硫正極多孔碳載體材料的設計提供了新思路,為抑制多硫化物形成,特別是微孔限域策略提供了理論依據。

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