南京大学王学斌教授AM：穿梭效应与枝晶生长一并解决，双功能宿主打造超稳定钠硫电池

第一作者：曾晋珏、王涛、孙志鹏

通讯作者：王学斌*

通讯单位：南京大学

钠硫电池因其钠和硫资源丰富、成本低廉，被视为下一代电网级储能的有力候选者。然而，其实际应用仍面临硫及其放电产物导电性差、多硫化物穿梭效应、硫体积膨胀大以及钠枝晶生长等问题。为解决这些挑战，开发具有高催化活性和结构稳定性的宿主材料至关重要。本文提出了一种耦合镍单原子与镍团簇的双功能碳宿主材料，旨在协同提升钠硫电池的循环寿命与倍率性能。

近日，南京大学王学斌教授团队在国际知名期刊《Advanced Materials》上发表了题为“Tandem Conversion of Polysulfides via Coupling Ni Single–Atoms and Clusters for Na–S Batteries”的研究论文。该研究设计并合成了一种负载镍单原子与团簇的氮掺杂多孔碳复合材料（Ni–NC），并将其同时应用于钠硫电池的正极与负极，实现了多硫化物的高效转化与钠金属的均匀沉积，显著提升了电池的综合性能。

采用锌辅助热解策略合成氮掺杂多孔碳（NC），并通过溶液吸附与热处理负载镍物种。通过调控镍负载量，获得以单原子为主、少量簇共存的Ni–NC材料。结构表征显示其具有高比表面积、丰富的孔结构以及良好的氮/镍均匀分布。

Ni–NC作为硫宿主材料，显著提升了多硫化物的吸附与转化动力学。实验与理论计算表明，镍单原子优先促进短链多硫化物的转化，而镍簇更利于长链多硫化物的转化，二者协同实现“串联催化”。此外，Ni–NC还提高了钠离子扩散系数，降低了反应能垒，有效抑制了穿梭效应。

Ni–NC作为钠金属宿主，展现出优异的钠亲和性与低成核过电位，促进了钠金属的均匀沉积，抑制了枝晶生长。对称电池测试表明，Na/Ni–NC电极具有低过电位、高库仑效率和长循环稳定性。

组装的全电池（Na/Ni–NC||S/Ni–NC）在0.1C下展现出1255mAh/g的高容量，在5C下仍保持580mAh/g，且在3000次循环后容量保持率达85.4%。即使在高硫载量或贫电解液条件下，电池仍表现出优异的循环稳定性。

Tandem Conversion of Polysulfides via Coupling Ni Single-Atoms and Clusters for Na-S Batteries

王学斌教授简介：山东人，于南京大学获学士、硕士学位，于早稻田大学获博士学位，曾在日本国立材料研究所任博士后、Tenure-Track青年研究员、客座研究员。2014年入选国家级青年人才，加入南京大学。长期从事碳和氮化硼三维网络材料制备及物性调控基础研究，新能源和复合材料应用研究。在Nat Commun, Sci Adv, Adv Mater等发表论文100余篇，引用10000余次，申请专利30余件，参编书籍3项、标准4项。主持国家自然科学基金企业创新发展联合重点项目（256万）、面上项目（3项）、江苏省重点研发等基金项目20余项。