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南京理工大学室温钠硫(RT Na-S)电池新技术

室温钠硫(RT Na-S)电池,由于硫正极材料的高理论比容量以及丰富的自然储存量等优势近年来备受关注。但是由于硫的导电性差,多硫化钠在电解液中溶解穿梭等问题的存在,导致RT Na-S电池容量衰减快、库仑效率低、自放电严重,限制了RT Na-S电池的实际应用。


近年来,已有大量报道采用硫/碳复合材料作为RT Na-S电池正极,以提高电极导电性和抑制多硫化物的溶解问题,但多硫化物的形成及其导致的容量衰减仍然是RT Na-S电池研究开发的最大挑战。理论上,以Na2S为唯一反应产物,且不形成多硫化物的一步Na-S反应将会是最理想RT Na-S电池设计,不仅会获得高比容量和长循环寿命,还能极大地改善自放电。


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南京理工大学夏晖、苏州大学晏成林及合作者针对这一问题利用超微孔限域实现了一步反应的RT Na-S电池。研究发现:当S以小硫分子形式进入碳微孔后,由于微孔的几何尺寸限域,只有二维结构的Na2S分子可以在~0.5 nm微孔中形成,从而实现了一步反应。相关结果发表在Advanced Science(DOI: 10.1002/advs.201903246)上。夏老师实验室使用我公司的产品有箱式炉,管式炉,行星式球磨机。


研究者以咖啡渣为原材料,在经碳化、活化处理后得到以~0.5nm狭缝型超微孔为主体的多孔碳材料。以该碳材料作为硫的载体,在负载40wt%的硫单质(ACC-40S)时,硫单质主要以小硫分子(S2-4)的形式进入超微孔内部。将该硫碳复合材料应用于RT Na-S电池,通过原位紫外测试(In situ UV-vis spectrometer Measurements)以及密度泛函理论(DFT)计算的辅助证明,在整个充放电过程中,多硫化物中间产物的形成被抑制,该体系仅有一个反应产物出现即:Na2S。计算结果表明,当微孔尺寸小于0.75 nm时,即使是最小的多硫化物Na2S2分子的形成也是热力学不稳定的,只有二维分子结构的Na2S分子可以自由形成,说明利用微孔限域可以有效实现从S单质到Na2S的一步反应。该反应机制使得ACC-40S电极在RT Na-S电池中,在0.1C电流密度下,获得1492mAh g-1的高可逆比容量和长循环寿命(2000次循环后95%容量保持率 )。更为重要的是,采用ACC-40S电极的RT Na-S电池也表现出极低的自放电,其容量日衰减率仅为0.17%,使其在大规模储能中具有潜在的应用前景。


本工作为室温钠硫电池硫正极多孔碳载体材料的设计提供了新思路,为抑制多硫化物形成,特别是微孔限域策略提供了理论依据。

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