德国莱布尼茨汉诺威大学AFM：基于过渡金属催化剂室温钠硫电池最新研究进展

第一作者：刘玉平、Frederik Bettels, 林志华

通讯作者：刘玉平*，刘双翼*，张琳*

单位：中国科学院重庆绿色智能技术研究院，德国莱布尼茨汉诺威大学

室温钠硫电池相比于早期的高温钠硫电池具有更高的比容量，并且更加安全，以及更低的运行成本；此外，钠硫电池原材料丰富，因此有望在规模化储能领域用于削峰填谷。但目前室温钠硫电池在不同电解液（酯类、醚类）中的反应机理还尚未研究透彻，同时电化学性能相比于其理论容量还有较大差距。催化剂材料能够有效的吸附充放电反应过程中产生的可溶性多硫化物，以及加速多硫化物的氧化还原转换，因此，能够在一定程度上提升室温钠硫电池的电化学性能。本篇观点展示了近期基于过渡金属催化剂材料用于室温钠硫电池的一些工作，特别是回顾了过渡金属催化剂材料合成、表征、电化学性能、和反应机理。最后，就室温钠硫电池将来的实用化方面进行了探讨。本文为未来室温钠硫电池的研究提供了方向，有助于加速室温钠硫电池领域的研究及实际应用。

近日，来自中国科学院重庆绿色智能技术研究院的刘玉平、刘双翼研究员与莱布尼茨汉诺威大学的张琳教授合作，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Recent Advances in Transition-Metal-Based Catalytic Material for Room-Temperature Sodium–Sulfur Batteries”的观点文章。该观点文章分析了室温钠硫电池的反应机理，同时汇总了近期基于过渡金属催化剂材料用于室温钠硫电池的最近研究进展。

当前对室温钠硫电池在不同电解液中的反应机理仍未研究透彻，在醚类电解液中，普遍认为其在放电过程中类似于锂硫电池，经历了四个阶段，首先是从固相S₈转换成长链可溶性Na₂S₈ (2.2 V)，随后经过液-液相到可溶性Na₂S₄ (2.2~ 1.65 V)，然后再转换成固相Na2S2 (1.65 V)，最后是固-固相转换为最终产物Na₂S。然而，在酯类电解液中，由于钠多硫化物中的Na⁺半径较大从而很难和酯类电解液发生副反应。此外，通过把S₈分子限定在多孔宿主内，室温钠硫电池的化学反应将会是“准固态”的转换而不会产生可溶性长链钠多硫化物。这些反应机制还有待商榷，还需要更深层次分子水平的表征技术进一步研究室温钠硫电池充放电过程中的反应机制，从而从根本上提升其电化学性能。

硫及其充放电产物的导电性极差，近年来大量的研究工作报道了各类室温钠硫电池催化材料，如本综述中的过渡金属催化剂材料（包括基于铁、钴、镍、钼、钛、烦、锰等材料），它们都是极性材料，在充放电过程中能够对多硫化物产生强烈的吸附作用。此外，在充放电过程中，这些催化剂还能够和多硫化物通过化学键连接，提升电子的传输速率，加速多硫化物的氧化还原转换，最终提升了室温钠硫电池的综合电化学性能。本综述介绍了最近基于过渡金属材料的催化剂，包括催化剂材料的制备、表征，以及它们对室温钠硫电池性能的影响。

当前室温钠硫电池的综合电化学性能仍有较大的提升空间，其实用化前还亟需解决几个挑战：1）掌握其充放电反应机制；2）优化催化材料，其多步电化学反应需要复合催化剂最大限度的催化每一步的反应，同时尽可能的降低催化剂材料的用料比，以及廉价、大量制备催化剂材料；3）获取稳定、廉价的金属钠负极，如，三维多孔金属钠载体、人工SEI层保护金属钠负极，以及从海水提取钠技术等；4）选取合适的电解液/添加剂，如安全的固态电解质：5）电池实用化参数，如高硫负载，低电解液用量，较宽温度范围内工作。

Recent Advances in Transition-Metal-Based Catalytic Material for Room-Temperature Sodium–Sulfur Batteries

刘玉平副研简介：2018在苏州大学获得博士学位，随后在德国莱布尼茨汉诺威大学从事科研工作，2022年8月入职中国科学院重庆绿色智能技术研究院。目前，主持中科院海外人才引进项目等，主要从事功能纳米材料的设计、制备及其在有效能源存储和转换领域的应用，相关研究成果以第一作者发表在ACS Nano (3篇)，Advanced Functional Materials (2篇)，Advanced Science (2篇)，Nano energy，Small等，被Nature Energy, Nature Catalysis等国际权威学术期刊引用，其中1篇高被引论文。

刘双翼研究员简介：2010年在香港大学获得博士学位，随后在美国纽约城市大学能源研究所从事纳米储能材料的研究。现任中国科学院重庆绿色智能技术研究院研究员，电化学储能技术研究中心主任。主持中科院百人计划、国家自然科学基金等项目。研究中心专注于先进电化学储能材料和器件的研究与开发，特别是具有高功率和高能量密度的材料和器件。

张琳教授简介：2003年毕业于北京师范大学，之后在范楼珍教授（现北师大化学院院长）指导下进行富勒烯方向的硕士学习。2007年在国家留学基金委项目支持下进入德国莱布尼茨固态和材料研究所（IFW Dresden）攻读博士，导师为Lothar Dunsch教授（富勒烯研究领域知名学者），并于2011年获得博士学位（优等）。之后通过马克斯-普朗克学会奖学金的支持，在马普固体研究所Martin Jansen所长的指导下开展博士后工作。2012年回到IFW Dresden，在德国工程院院士Oliver G. Schmidt教授指导下进入纳米能源材料领域。2015年获得德国自然科学基金的支持，作为PI成立研究能源研究小组。2017年获得汉诺威大学教授职位，并于2019年获得Heinz-Maier Leibnitz奖提名。其主要工作发表在包括Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Adv. Sci., ACS Nano, Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater. 等高水平杂志。张教授课题组获得了德国自然科学基金、下萨克森州科学文化部（两项），中国国家留学基金委等项目的支持。课题组从2015年成立以来，已有多名合作者回国获得教职。常年欢迎储能材料领域博士后、博士生（含CSC）项目的申请。