吉林大学杜菲教授、鹿可教授、张红研究员，CEJ：轨道-电荷泵诱导超稳定全固态钠硫电池无钝化界面

第一作者：冯子誉

通讯作者：杜菲，鹿可，张红

单位：吉林大学物理学院&吉林大学材料学院

期刊：Chemical Engineering Journal

关键词：钠硫电池，全固态硫电池

全固态Na–S电池兼具Na–S体系低成本优势与固态体系不漏液、不可燃的安全特征，并可抑制硫物种跨电极迁移，因此被视为高安全、高能量储能体系的重要发展方向。然而在低至中温条件下，这类电池普遍存在初始库仑效率低、容量衰减快的问题。其关键根源在于刚性复合硫正极内部局域固固界面接触不足、界面阻抗高，导致充电过程中 Na2S再活化困难；一旦Na+传输与电子转移发生失配，部分氧化的Na2Sx易滞留并逐渐累积，最终形成自增强的正极钝化层。现有策略往往只能分别改善接触或降低Na2S氧化能垒，难以同步解决界面处离子与电子协同传输的问题。

近日，吉林大学杜菲教授，鹿可教授，张红研究员等在《Chemical Engineering Journal》发表题为“Orbital-charge pumping induces a passivation-free interface in ultrastable all-solid-state Na–S batteries”的研究论文。该工作针对55°C下PEO-NaFSI准固/固态界面中严重的正极钝化问题，构建了嵌入导电碳骨架的VO2/V2O5异质结构硫宿主。作者提出，异质界面处的电子云重叠能够诱导轨道极化，激活原本电子惰性的Na2S并降低其在充电初期的重组能垒；与此同时，内建电场形成“轨道-电荷泵”，实现Na+/e−协同传输，从而缓解局域界面堵塞并提升硫物种可逆转化。最终，该全固态Na–S电池在55°C下实现了96.4%的初始库仑效率，并稳定循环超过180圈。

作者首先明确了低温全固态Na–S电池的核心瓶颈并不只是放电过程，而是充电阶段Na2S再氧化困难。文中指出，Na2S在初始充电阶段具有最高反应能垒，是整个循环的速率决定步骤，其缓慢再转化会导致不可逆Na2Sx残留并加速正极钝化。为此，作者设计了VO2/V2O5异质结构催化位点，以同时调控界面电子结构与离子/电子输运。

VO2/V2O5异质界面通过功函数差驱动电子从VO2迁移至V2O5，形成内建电场并诱导轨道极化。DFT结果显示，异质结构的d带中心位于VO2与V2O5之间，更有利于在“足够激活Na2S”和“适度锚定硫中间体”之间取得平衡；结合ex-situ XPS，作者进一步证明V–S键合作用会随充放电过程动态调节，从而符合Sabatier最优催化原则。

在机制验证方面，PDOS表明异质界面附近V 3d与S 2p轨道重叠更强，有助于电子注入Na2S；而内建电场所形成的“电荷泵”则连续驱动界面处定向Na+/e−迁移。原位XRD显示，S@VO2/V2O5-NC在充电末期可实现更完整的Na2S→Na2S3→Na2S4→S8可逆转化；原位EIS/DRT与GITT则表明其在充电过程中具有更低、更稳定的Rct和RCEI、更高的Na+扩散系数以及更小的极化，说明该策略显著抑制了正极钝化并改善了硫恢复效率。

在电化学性能方面，S@VO2/V2O5-NC在10 mA g−1、55°C条件下的初始放电比容量为834.6 mAh g−1，初始库仑效率为96.4%，180圈后容量保持率为73.1%，且长期循环中库仑效率保持在90%以上。失效诊断实验进一步表明，更换新正极后容量可恢复至初始值的89.8%，高于仅更换新负极的77.4%，说明全电池寿命主要受正极钝化主导。此外，该体系在不同硫负载和50–60°C范围内仍保持较好适应性，整体性能与已报道固态Na–S电池相比具有竞争力，尤其是在55°C这一较低工作温度下。

Orbital-charge pumping induces a passivation-free interface in ultrastable all-solid-state Na–S batteries；

杜菲，吉林大学物理学院教授，博士生导师，新型电池物理与技术教育部重点实验室主任。近年来，围绕着新型储能电池体系设计、关键电极材料的开发等研究领域开展了大量的研究工作，在Nature Materials, Nature Communications, Advanced Energy Materials, ACS Energy Letters等国际著名杂志发表论文230余篇，H指数为64。获吉林省长白山领军人才荣誉称号，吉林省自然科学一等奖等荣誉。

鹿可，吉林大学物理学院教授，2018年在山东大学获得博士学位，期间在同济大学进行固态电池项目博士联培，师从黄云辉教授；2018-2020年，在美国Northern Illinois University/Argonne National Laboratory从事博士后研究；2020-2025年任教于安徽大学，2026年2月入职吉林大学。研究工作聚焦于金属硫电池关键材料与界面，在CCS Chem.、J. Am. Chem. Soc.、Nat. Commun.、Angew. Chem.、Nano Lett.等期刊上发表SCI论文105篇，H-index为40。入选“江苏省姑苏创业领军人才”计划和RSC Nanoscale新锐科学家等。

张红，吉林大学材料科学与工程学院，研究员，2021年在上海交通大学获得博士学位；期间在美国Northern Illinois University/Argonne National Laboratory联合培养，2021-2024年先后在中国科学技术大学和哈尔滨工业大学从事博士后及助理教授职位； 2024年12月入职吉林大学材料科学与工程学院。研究聚焦于：能源存储与过程强化，水系锌电，金属硫电池等，在Angew. Chem.、CCS Chem.、Energy Environ. Sci.、Nano Lett.等期刊上发表SCI论文50余篇。