汪国秀教授/王春生教授/Michel Armand/Teofilo Rojo等EES综述：非高温运行条件振兴钠硫电池：重要回顾- 大数跨境

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汪国秀教授/王春生教授/Michel Armand/Teofilo Rojo等EES综述：非高温运行条件振兴钠硫电池：重要回顾

科学材料站

2020-10-08

导读：本文对中温钠硫（IMT Na-S）电池和室温钠硫（RT Na-S）电池的工作机制，机遇和挑战进行了详细讨论。对RT Na-S电池在醚基电解液，碳酸酯基电解液和固体电解质中的工作机制的巨大差异进行了阐述

文章信息

振兴用于非高温操作的钠硫电池：重要回顾

First published: October 02, 2020

第一作者：王翌州，周栋，Veronica Palomares，Devaraj Shanmukaraj

通讯作者：王春生*，Michel Armand*，Teofilo Rojo*，汪国秀 *

单位：悉尼科技大学，马里兰大学，巴斯克大学，CIC energiGUNE

研究背景

开发基于可充电电池的大规模储能系统对于缓解全球变暖至关重要。而锂离子电池作为目前使用最广泛的可充电电池，相对成本较高，且能量密度有限，难以满足大规模储能系统日益增长的需求。因此，迫切需要开发具有更高能量密度和更低成本的新型电池系统。

在这种需求下，以高储量的硫和钠为活性物质的钠硫电池受到了极大的关注。尽管传统的高温钠硫电池（工作温度：300-350℃）已经商业化，但是由于其高的工作温度会带来一系列隐患（例如高安全风险，较高的运行和维护成本），从而妨碍了它们的广泛应用。降低钠硫电池的工作温度可以大大提高电池安全性，并降低运行和维护期间的成本。

此外，与传统的高温钠硫电池相比，随着工作温度的降低，钠硫电池能够实现更深的放电深度，从而获得更高的容量。因此，近年来，降低传统钠硫电池的工作温度并开发非高温钠硫电池（包括中温钠硫（100-200°C的工作温度）和室温钠硫电池）得到了巨大关注，使钠硫电池的研究得到了复兴。

导师专访

Q：该领域目前存在的问题？这篇文章的重点、亮点。

传统的钠硫电池需要在高温（300-350°C）下运行，其使用熔融电极和β''-氧化铝钠固体电解质，并于2002年首次商业化。这种电池系统可提供的理论能量密度电池容量为760 Wh kg-1，较长的循环寿命以及较低的成本，这使其非常适合用于大规模储能系统。

然而，其高的工作温度不仅增加了操作和维护的额外成本，而且带来了高的安全风险，这极大地限制了高温Na-S电池的广泛应用。此外，液态的多硫化钠（Na2Sn，（n≥3））是该电池系统的最终放电产物，这导致硫的理论容量利用率低（仅为约1/3）。

因此，近年来，人们致力于开发能在较低温度下工作的新一代钠硫电池，其中包括中温钠硫（在100-200°C下工作）电池和室温钠硫电池。相较于传统的高温钠硫电池，其容量得到了增加，维护成本得到了降低，并且安全性得到了提高。然而，关于在非高温下运行的钠硫电池的研究仍处于起步阶段。

目前中温钠硫电池的最新进展尚未得到系统总结，而有关室温钠硫电池的大多数综述主要集中在正极材料上。因此，我们对该领域进行系统性的综述，并着重介绍固态电解质在该领域的应用，以更好地开发非高温钠硫电池

文章简介

近日，悉尼科技大学汪国秀教授，西班牙巴斯克大学Teofilo Rojo教授，西班牙CIC energiGUNE的Michel Armand教授，以及马里兰大学王春生教授等合作，在国际顶级期刊Energy & Environmental Science (影响因子：33.25) 上发表题为“Revitalising Sodium-Sulfur Batteries for Non-High-Temperature Operation: A Crucial Review”的研究工作。

在这篇综述中，对中温钠硫（IMT Na-S）电池和室温钠硫（RT Na-S）电池的工作机制，机遇和挑战进行了详细讨论。对RT Na-S电池在醚基电解液，碳酸酯基电解液和固体电解质中的工作机制的巨大差异进行了阐述。

文中对IMT Na-S电池和RT Na-S电池的不同电池组件（包括正极，负极，电解质和其他电池成分）的最新进展进行了总结。由于固态电解质极高的安全性，对其在IMT和RT Na-S电池的应用进行了重点介绍。此外，对高性能Na-S电池的未来发展前景及挑战进行了概述。

本文要点

要点一：本文阐明了中温及室温Na-S电池系统的工作原理，机遇和挑战，并总结了包括正极，负极，电解质和其他电池成分的最新进展。

要点二： 室温钠硫电池在不同电解液体系中工作机理不同，本文对其在醚基电解液，碳酸酯基电解液和固体电解质中的不同机理进行了讨论。

要点三：鉴于固态电解质具有极高的安全性，本文重点介绍了其在IMT和RT Na-S电池的应用。

导师专访

Q：您对该领域的今后研究的指导意见和展望

对于中温钠硫电池，在今后研究中需要着重于提升其电导率，以及解决熔融电极在其上润湿性的问题。对于室温钠硫电池，提升硫正极的反应动力学，以及开发高性能的电解液体系非常重要。

同时，对于室温钠硫电池的研究，要更多的结合未来的实际应用考虑，如提高正极硫含量、提高硫载量、以及在软包电池中测试其性能等。目前非高温钠硫电池发展迅速，相信其在不久后能取得重大突破并获得实际商业应用。

文章链接

Revitalising Sodium-Sulfur Batteries for Non-High-Temperature Operation: A Crucial Review

https://doi.org/10.1039/D0EE02203A

通讯作者介绍

汪国秀，澳大利亚悉尼科技大学（UTS）杰出教授

清洁能源技术中心（CCET）主任。材料化学，电化学，能量存储和转换以及电池技术领域专家。目前担任《Electrochemical Energy Review》（Springer-Nature）的副编辑，以及《Scientific Reports》（Nature Publishing Group）和《Energy Storage Materials》（Elsevier）的编委会成员。研究领域包括锂离子电池，锂空气电池，钠离子电池，锂硫电池，超级电容器，储氢材料，燃料电池，2D材料（例如石墨烯和MXene）以及用于制氢的电催化。目前已发表520余篇期刊论文，总被引40,000余次，h指数为107。于2018年与2019年被Web of Science / Clarivate Analytics评选为材料科学领域高被引学者，并于2018年被评选为化学领域高被引学者。

王春生，美国马里兰大学帕克校区（UMCP）教授

极限电池研究中心联合创始人兼主任。于1995年在浙江大学材料科学与工程系获得博士学位，随后在美国德州农工大学和田纳西理工大学担任教职，于2007年在马里兰大学任教授。现为马里兰大学化学与生物分子工程系终身教授、ACS Applied Energy Materials副主编。研究工作主要集中在新型二次电池和燃料电池领域，已发表期刊论文230余篇，被引用超过24800次，h指数为83。在锂电池上的工作被NASA技术简介，EFRC / DoE新闻通讯，C＆EN等特别报道。

Teofilo Rojo，西班牙巴斯克大学教授

于1981年在巴斯克大学获得化学博士学位。于1992年成为巴斯克大学无机化学专业教授。研究内容包括固态化学和材料科学。自2010年以来担任CIC energiGUNE的科学主任，负责先进电池（锂，钠等）的材料研究。2015年，他被任命为西班牙皇家物理和自然科学院院士。于2016年被任命为EuCheMS（欧洲化学科学）化学和能源工作组的成员。

Michel Armand，教授，西班牙CIC energiGUNE研究组长

于1978年在约瑟夫·傅里叶大学取得物理学博士学位。于1989年担任法国国家科学研究中心（CNRS）的研究中心主任，于1995-2004年间担任蒙特利尔大学教授。自2013年以来担任CIC energiGUNE的研究组长。Prof. Armand提出的一些理论概念和实际应用对电池及电化学的发展做出了巨大贡献。于1972年提出了无机插层化合物的概念，并于1996年提出有机插层化合物的概念。于1978年提出聚合物电解质在电池中的应用。于1986年引入了新的高导电性盐类（全氟酰亚胺盐，如TFSI和FSI等）用于液态和聚合物电解质。

第一作者介绍

王翌州，悉尼科技大学待入学博士生

期间在汪国秀教授和周栋博士的指导下从事碱金属-硫电池方面的理论研究。

周栋，悉尼科技大学博士后研究员

研究主要集中在设计和合成用于各种先进能量存储设备的聚合物电解质以及电极纳米材料。

Veronica Palomares，巴斯克大学副教授，主要研究方向为先进钠基电池。

Devaraj Shanmukaraj，CIC energiGUNE副研究员

隶属Advanced Electrolytes and Cell Integration研究小组，主要研究方向为锂、钠金属电池及用于其的先进固态电解质。