黄建宇教授团队， Small观点：高温钠-硫纳米电池中多硫化钠电化学的原位透射电镜研究- 大数跨境

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黄建宇教授团队， Small观点：高温钠-硫纳米电池中多硫化钠电化学的原位透射电镜研究

科学材料站

2021-05-20

导读：该观点文章利用原位透射电镜技术搭建了微观尺度的高温钠硫纳米电池，并且研究了不同温度条件下电化学反应机理，为提高高温钠硫电池在电网存储应用中的性能提供重要的科学依据。

文章信息

高温钠-硫纳米电池中多硫化钠电化学的原位透射电镜研究

第一作者：李彦帅

通讯作者：唐永福*，张利强*，黄建宇*

单位：燕山大学

研究背景

目前商用高温钠硫电池由于多硫化物的形成，其放电容量仅达到理论容量的三分之一，由于多硫化物直接成像技术难度大，对这一问题的了解有限。

本文采用微机电系统加热装置的原位透射电镜研究了高温钠硫电池的电化学反应。实时揭示了循环过程中瞬态多硫化物的形成和演化过程。硫在放电时转化为长链多硫化物、短链多硫化物，最后转化为Na2Sx或其与多硫化物的混合物，在高温充电时该过程是可逆的。

令人惊讶的是，通过在硫正极中引入纳米空隙来缓冲大体积变化，从而保持了电子通道和离子通道的完整性，减少了Na+的扩散距离，在300℃时，硫阴极完全放电生成为Na2S，而不是传统认为的Na2S2。原位研究不仅为多硫化物电化学提供了新的认识，而且为提高高温钠硫电池的容量和循环性提供了关键策略。

文章简介

近日，来自燕山大学的黄建宇教授团队，在国际知名期刊Small上发表题为“In Situ TEM Studies of Sodium Polysulfides Electrochemistry in High Temperature Na-S Nanobatteries”的观点文章。

该观点文章利用原位透射电镜技术搭建了微观尺度的高温钠硫纳米电池，并且研究了不同温度条件下电化学反应机理，为提高高温钠硫电池在电网存储应用中的性能提供重要的科学依据。

图1. 高温钠硫纳米电池运行示意图（Inside Cover）

本文要点

要点一：构筑了热-电-化学多场耦合的高温钠-硫电池原位电镜测试平台

结合原位透射电镜及微机电系统加热装置等技术，构筑了热-电-化学多场耦合的原位电镜测试平台。基于该平台利用填充于中空碳纳米管的硫为正极，金属钠为负极，钠表面自然生成的钠氧化物作为电解质，组装了高温钠硫纳米电池，研究硫正极的高温充放电的机理。

要点二：阐明了高温钠-硫电池硫正极的充放电机理

基于高温钠硫纳米电池的原位电镜研究，发现钠-硫电池正极的充放电机理为：放电过程中，硫首先转化成长链多硫化物，然后转化成短链多硫化物，最终转化成Na2S；高温下的充电过程，实现了Na2S转化成多硫化物，然后分解成单质硫和液态长链多硫化物的逆过程。

研究发现高温下，硫正极的充放电可逆性得到显著改善，但是硫正极会对碳材料产生严重腐蚀。论文还通过原位电镜研究，阐明了高温钠硫电池无法发挥全部理论容量的原因可能为Na2S2中间产物低的离子和电子电导。这些研究结果为高温钠-硫电池充放电机理提供了新的理解及认识。

要点三：前瞻

针对目前高温钠硫电池放电过程无法发挥其理论容量的问题，提出了缩短钠离子传输和电子传导距离的策略。

这些从原位透射电镜研究中获得的对不同温度下钠硫电池多硫化物电化学的深入新认识，可能为提高高温钠硫电池在电网存储应用中的性能提供重要的科学依据。所以，原位透射电子显微镜与微机电系统加热装置是探索固态钠硫电池电化学的一个非常有力的工具，在本研究方向有广阔的应用前景。

本文链接

In Situ TEM Studies of Sodium Polysulfides Electrochemistry in High Temperature Na–S Nanobatteries

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202100846

通讯作者介绍

黄建宇燕山大学和湘潭大学教授，博士生导师。

1996年博士毕业于中科院金属研究所；1996年至1999年间，于日本国家无机材料研究所、日本大阪大学先后任职；1999年至2001年间，于美国洛斯阿拉莫斯国家实验室做博士后；2002年至2012年间，于美国波士顿学院、美国桑迪亚国家实验室纳米科技综合中心主任研究员。一直以来以电子显微镜为主要研究手段，从事纳米力学与能源科学研究工作20多年，主持或者共同主持美国能源部和自然科学基金等项目12项。在电池研究领域取得了系列原创性的研究成果，建立了多种纳米力学和能源材料透射电镜-探针显微镜（TEM-SPM）的原位定量测量技术，在国际上率先制造出可在高真空度电镜中工作的锂电池，发明了在原子尺度上实时观察锂离子电池充放电过程的新技术，形成了原位纳米尺度电化学和纳米力学研究的新领域，为锂离子电池研究提供了有效的技术手段，得到了学术界的广泛认同和高度评价。研究成果在Nature、Science、Physical Review Letters、Nature Nanotechnology、Nature Communications、Nature Methods、PNAS、Nano Letters等杂志上发表，共发表论文220篇，h因子为86，总引用次数超过25000次，在各种专业学术会议上发表特邀报告100多次。

唐永福教授，博士生导师，河北省应用化学重点实验室固定成员，亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室清洁纳米能源中心骨干成员。

2012年7月毕业于中科院大连化学物理研究所，获得工学博士学位。同年，进入燕山大学环境与化学工程学院从事教学科研工作。一直以来，从事金属-空气电池、锂电池等高性能电化学储能器件的设计、开发及球差校正环境透射电镜原位表征等应用及基础研究。近年来，主持国家自然科学基金、霍英东基金会青年教师基金等纵向科研项目10余项，获得河北省“青年拔尖人才”、河北省高等学校“青年拔尖人才”、燕山大学“新锐工程”等人才计划项目资助，以及获河北省“三三三”人才三层次人选、河北省优秀硕士学位论文指导教师等荣誉；以第一/通讯作者在Nat. Nanotechnol., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Nano Lett., ACS Energy Lett., Nano Energy, Energy Storage Mater., Small, Sci. Bull.等国内外高水平期刊发表论文39篇（影响因子大于10.0论文15篇）；论文他引2000余次，h因子为26；申请国家发明专利10项，已授权6项。

张利强燕山大学材料学院研究员，博士生导师，国家优青。

长期从事应用原位环境透射电镜技术研究各类型新能源材料，揭示其在复杂环境场中工作及失效的微观机理，为设计高性能电池提供理论指导。近年来，在Nat. Nanotechnol., Nat. Commun., Adv. Mater., JACS, Angew. Chem. Int. Edit., Energy Environ. Sci., Mater. Today, Nano. Lett., ACS Nano等期刊已发表论文69篇（SCI论文67篇，中文核心2篇），其中一作/通讯论文34篇（影响因子大于10.0论文20余篇，中文核心2篇），论文被引用4800余次，h因子为33。获授权发明专利12项，省部级技术发明奖1项。主持国家自然基金优青、面上、青年项目，北京市自然基金面上、青年项目，北京市海淀原始创新项目等纵向课题10余项。