由中科院化學所研究員郭玉國領銜的團隊在新型高比能室溫鈉硫電池研究方面取得重要進展。相關成果近期發(fā)表在《先進材料》雜志的封底上。

郭玉國在接受《中國科學報》記者采訪時表示，室溫高比能鈉硫電池在儲能領域具有較好的應用前景，但實現商業(yè)化仍需時日。

鈉離子電池新能源汽車是當前國外車企研發(fā)熱點

鈉硫電池前景看好

2007年回國的郭玉國最初研究方向并不是鈉硫電池，而是同樣屬于高比能金屬二次電池的鋰硫電池。

“鋰硫電池是極具應用前景的下一代高比能金屬鋰二次電池，其理論能量比高出現有鋰離子電池4至5倍?！惫駠f。

從2009年開始，郭玉國帶領研究團隊開始主攻鋰硫電池，他們提出利用碳納米孔道限域的鏈狀小硫分子解決鋰硫電池中多硫離子溶出難題，并因此成功制備出一種電化學性能優(yōu)異的納米復合正極材料。

他向記者介紹道，這種非常規(guī)的硫分子—碳復合正極材料有效解決了鋰硫電池硫正極的循環(huán)問題，攻破了傳統(tǒng)硫正極材料由于多硫化物溶出導致循環(huán)性能差的難題，使得鋰硫電池能具有長循環(huán)壽命。

同時，由于硫顆粒的尺寸已降至分子級，這使得硫的電化學活性也顯著提高。

化學所鋰硫電池研究團隊的博士辛森指出，這種基于納米孔道限域效應的小分子硫—碳復合正極材料在鋰硫電池中表現出很高的比容量、優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性以及高倍率性能。

隨著動力鋰電池逐漸應用于電動汽車，對鋰的需求量將大大增加。

在鋰硫電池材料方面獲得較大突破后，郭玉國開始琢磨將其應用在鈉硫電池上的可能性：“傳統(tǒng)鋰離子電池能量密度已經接近理論極限，而且鋰在地殼中的豐度較低，儲量有限，使其成本居高不下。隨著全球儲能需求的猛增，鋰資源或將面臨稀缺的局面。與之相比，全球范圍內的鈉資源非常豐富，如海水就是鈉離子取之不盡的源泉。”

鈉硫電池技術起源于上世紀 60年代。鈉硫電池是通過硫與鈉之間的電化學反應實現化學能和電能相互轉換的一類金屬二次電池。

同鋰硫電池類似的是，鈉硫電池的正極（S）和負極（Na）也具有很高的理論比容量。高溫鈉硫電池的理論比能量高達760Whkg-1，在智能電網等儲能領域具有很高的應用潛力。

此外，作為電極材料的鈉硫成本優(yōu)勢明顯，也使得鈉硫電池極具商業(yè)化前景。

中投顧問新能源行業(yè)研究員沈宏文對記者表示，與普通電池相比，鈉硫電池具有比能量高、可大電流充電、充放電效率高等優(yōu)勢，從產生之初便受到了各國科研機構、電池廠商的高度關注。

優(yōu)勢明顯

從20世紀80年代末和90年代初開始，國外重點發(fā)展高溫鈉硫電池在固定場合下（如電站儲能）的儲能應用，并逐漸顯示其優(yōu)越性。

2002年開始，鈉硫電池進入商品化實施階段。目前，日本東京電力公司（TEPCO）和NGK公司是商品高溫鈉硫電池的主要供應商，其生產的高溫鈉—硫電池的實際比能量已大于 150Whkg-1，是鉛酸電池的3~4倍，應用目標瞄準電站負荷調平、UPS 應急電源及瞬間補償電源等。

不過，由于高溫鈉硫電池在移動場合下的使用條件比較苛刻，在存放空間和電池安全性方面有一定的局限性，所以尚未得到大規(guī)模應用。

傳統(tǒng)高溫鈉硫電池由于使用陶瓷電解質需在300℃以上才能工作，存在一定的安全隱患；而且在放電過程中，硫的還原也不完全，僅能生成Na2S3（完全還原時應生成Na2S），降低了正極材料的容量和電池的比能量。

郭玉國告訴記者，基于液態(tài)電解質的室溫鈉硫電池，則受限于硫正極電化學活性低、放電中間產物易溶于電解液等缺點，存在正極活性物質利用率低、循環(huán)性能差等問題，嚴重影響了鈉硫電池的性能發(fā)揮和實際應用。

那么，能否研制出一種高比能室溫鈉硫電池規(guī)避上述問題？