苏州科技大学李长明/张恒/拜有存CEJ：将生物质化学活化为分级多孔碳作为高性能室温钠硫电池的高效硫宿主

第一作者：刘佳旺

通讯作者：张恒*，拜有存*，李长明*

单位：苏州科技大学

随着高效、低成本大规模储能技术的需求日益增长，室温钠硫电池（RT Na-S）凭借其高能量密度和丰富的资源成本优势，被视为一种极具潜力的储能解决方案。然而，RT Na-S电池的实际应用仍面临两大长期挑战：正极材料的绝缘性和多硫化物的穿梭效应。在硫-碳复合正极的设计中，合理的孔结构设计被认为是解决这些问题的关键。微孔（孔径 < 2 nm）能够有效容纳并限制活性材料硫的扩散；中孔（2 nm < 孔径 < 50 nm）有助于提高硫负载量并适应体积膨胀；而大孔（孔径 > 50 nm）则显著增强了钠离子的传输效率。在碳材料的孔结构调控中，氢氧化钾作为一种高效的造孔剂，通过高温化学反应刻蚀碳骨架并生成孔隙，最终形成具有高比表面积和多孔结构的碳材料。这种方法以其简单高效的特点，成为制备高性能多孔碳材料的常用手段。这种可控的造孔过程能够精确调控孔径分布，有望推动其在大规模储能领域的实际应用。

针对此问题，苏州科技大学的青年教师张恒、拜有存副教授、李长明院士提出了对木质纤维碳的化学活化法的改进思路，并在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“ Chemically activating Biomass into Hierarchically Porous Carbon as an Efficient Sulfur Host for High-Performance Room Temperature Na-S Batteries “的研究论文。

图1.分级纤维多孔碳的制备过程，以及将小硫分子嵌入到微孔的融硫示意图。

创新性改进了KOH对木质纤维碳的活化方案制备了分级纤维多孔碳应用于RT Na-S 电池硫正极，其中HFPC具有2685 m²g^-1的高比表面积。不仅如此，在相同的活化剂用量下，活化的HFPC比MFPC有更高的微孔含量。其正极可以容纳大量硫、抑制反应过程的体积膨胀、对多硫化物有很强的吸附能力，还能显著缩的提高电池的循环稳定性和氧化还原动力学。

要点二：多级微孔结构限制多硫化钠的生成

通过化学活化策略，纤维碳形成了富含微孔（<2nm）的孔隙结构，这种结构能够将小硫分子（S_2~4）限制在微孔中，进而通过空间限域的方式阻碍固相的短链硫化钠向具备穿梭性的长链多硫化物的转化。得益于对多硫化物的有效吸附，HFPC@S电极表现出良好的倍率性能，并加速了转换反应动力学。此策略巧妙地调整了碳材料的孔隙分布，大幅提升了其在电化学转化过程中的反应活性。

要点三：室温钠硫电池反应机理与微孔吸附研究

通过原位XRD对活化前后正极组装的室温钠硫电池进行了反应机理探究，重点分析了多硫化钠的中间转化过程。结果表明，活化后的纤维碳基正极得益于其多级微孔分布结构，能够对不同阶的多硫化钠实现选择性调控：一方面有效抑制了长链多硫化物的生成，另一方面对长链多硫化物表现出高效的吸附能力。相比之下，未活化的电极由于缺乏多孔结构的限制作用，出现了显著的多硫化物穿梭效应。这一发现揭示了多孔结构在调控多硫化物转化过程中的关键作用，为高性能室温钠硫电池的设计提供了重要依据。

要点四：应用价值与前瞻

基于HFPC@S正极与钠金属负极组装的室温钠硫电池，展现出优异的高负载、高电流密度充放电和低自放电特性，符合其实际应用潜力。尽管KOH活化法在碳材料领域已得到广泛应用，但本研究提出的二步活化策略为高性能碳材料的制备提供了新的实践参考，同时也为改性具有储能潜力的碳基电极材料开辟了可借鉴的创新思路。

Chemically activating Biomass into Hierarchically Porous Carbon as an Efficient Sulfur Host for High-Performance Room Temperature Na-S Batteries

张恒，博士，苏州科技大学材料科学与工程学院青年教师，主要研究领域为电化学储能材料与器件，主要研究领域为锌/钠离子电池、先进钠硫电池、预锂化等。截至目前已在相关领域发表包括Angew. Chem. Int. Ed.，Adv. Energy Mater.，ACS Nano, Adv. Funct. Mater.，Nano Energy，Energy Environ. Mater.，Adv. Sci., Small等SCI学术论文50余篇。

刘佳旺，苏州科技大学硕士研究生，研究方向为室温钠硫电池正极，主要研究领域为电化学储能材料与器件。截至目前已在相关领域发表包括Chem. Eng. J.，ACS Appl. Nano Mater.，Nano Energy，J. Phys. Chem. C，Chem. Comm. 等学术论文。