北京時(shí)間2026年1月8日零時(shí)，上海交通大學(xué)變革性分子前沿科學(xué)中心孫浩副教授團(tuán)隊(duì)在《自然》(Nature)在線發(fā)表題為“High-voltage anode-free sodium-sulfur batteries”的研究論文。這項(xiàng)研究將傳統(tǒng)堿金屬-硫電池體系的S0/S2−低價(jià)態(tài)反應(yīng)路徑變革為S0/S4+的高價(jià)態(tài)反應(yīng)路徑，在國(guó)際上首創(chuàng)高電壓、無負(fù)極的鈉硫電池新體系，有效突破了放電電壓和安全性方面的限制，為發(fā)展新一代大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)提供了全新路徑。
 

　　室溫鈉硫電池具有高元素豐度和低成本優(yōu)勢(shì)，是大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)的重要候選路線。然而基于單質(zhì)硫到硫化鈉的低價(jià)態(tài)反應(yīng)路徑(S0/S2−)使電池的放電電壓普遍低于1.6 V，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)鋰/鈉離子電池。同時(shí)，該低價(jià)態(tài)反應(yīng)導(dǎo)致負(fù)極需要過量使用化學(xué)性質(zhì)活潑的金屬鈉，為電池制備及運(yùn)行帶來嚴(yán)重安全隱患。
 

　　針對(duì)上述挑戰(zhàn)，孫浩團(tuán)隊(duì)提出基于高價(jià)態(tài)硫反應(yīng)路徑(S0/S4+)的高電壓、無負(fù)極的鈉硫電池體系(圖1)。基于S/SCl4的高價(jià)態(tài)可逆反應(yīng)(理論容量為3350 mAh/g)，使該電池放電電壓大幅提升至3.6 V，并能充電時(shí)在負(fù)極原位生成鈉金屬，從而在電池制備過程中不使用鈉金屬，從而顯著提升了電池安全性和成本效益。
 

圖1. 基于高價(jià)態(tài)硫氧化還原反應(yīng)的高電壓、無負(fù)極鈉硫電池
 

　　通過系列先進(jìn)表征技術(shù)結(jié)合理論計(jì)算分析，團(tuán)隊(duì)揭示了S0/S4+高價(jià)態(tài)氧化還原反應(yīng)機(jī)制。通過優(yōu)選含二氰胺鈉(NaDCA)的氯鋁酸鹽電解液，從分子尺度上破解了高價(jià)硫轉(zhuǎn)化反應(yīng)能壘高、可逆性差的難題。在負(fù)極側(cè)，NaDCA能夠在負(fù)極誘導(dǎo)形成富含氮元素的固體電解質(zhì)中間相(如NaCN和Na3N)，該獨(dú)特界面鈍化層使鈉金屬可逆沉積/剝離的最大電流密度達(dá)到50 mA/cm2，并在12 mAh/cm2的高面容量條件下穩(wěn)定循環(huán)，為構(gòu)建無負(fù)極電池奠定了關(guān)鍵基礎(chǔ)。
 

圖2. 電池的電化學(xué)性能及應(yīng)用驗(yàn)證
 

　　研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步通過聚合物材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，合成出能夠高效催化硫單質(zhì)高價(jià)態(tài)轉(zhuǎn)化的鉍/共價(jià)有機(jī)框架材料，顯著提升了硫正極的充放電深度和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，正極比容量最高可達(dá)1206 mAh/g(圖2a)，基于正負(fù)極總質(zhì)量計(jì)算的能量密度達(dá)到2021 Wh/kg。高價(jià)態(tài)正極反應(yīng)及無負(fù)極結(jié)構(gòu)賦予該電池體系優(yōu)異的應(yīng)用潛力，其可在–40 °C至80 °C的超寬溫域內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行(圖2b)，在擱置400天后仍能正常工作(圖2c)，預(yù)估材料成本與傳統(tǒng)鈉電池相比具有優(yōu)勢(shì)(圖2d)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證該電池體系的可拓展性，團(tuán)隊(duì)成功制備出安時(shí)級(jí)電池(圖2e)及柔性纖維狀電池(圖2f)，并系統(tǒng)驗(yàn)證了其在點(diǎn)燃、彎曲、切割等系列實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景下的安全性(圖2g)，展示出多場(chǎng)景應(yīng)用潛力。團(tuán)隊(duì)也將鈉硫電池拓展至高電壓、無負(fù)極鋰硫電池體系(圖2h)，初步驗(yàn)證了高價(jià)態(tài)硫轉(zhuǎn)化反應(yīng)路徑的普適性。
 

　　該工作實(shí)現(xiàn)了鈉硫電池反應(yīng)從“低價(jià)態(tài)還原”到“高價(jià)態(tài)氧化”的路線創(chuàng)新，推動(dòng)了電池結(jié)構(gòu)從“過量鈉金屬”向“無負(fù)極結(jié)構(gòu)”的重要跨越。不僅突破了長(zhǎng)期制約堿金屬-硫電池體系發(fā)展關(guān)鍵性能局限，更為構(gòu)建低成本、可持續(xù)、高性能的新型儲(chǔ)能體系提供了理論依據(jù)與技術(shù)支撐，有望在大規(guī)模儲(chǔ)能、低空經(jīng)濟(jì)、人工智能、國(guó)防軍事等重大需求領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用，為實(shí)現(xiàn)國(guó)家能源轉(zhuǎn)型與“雙碳”目標(biāo)提供關(guān)鍵支撐。
 

　　上海交通大學(xué)變革性分子前沿科學(xué)中心孫浩副教授和復(fù)旦大學(xué)彭慧勝院士為論文通訊作者。變革性分子前沿科學(xué)中心博士生耿世濤和袁斌(已畢業(yè))為論文第一作者。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(22575145、22209108、T2321003和22335003)、科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2022YFA1203001 和 2022YFA1203002)、教育部中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(24X010301678)以及化學(xué)生物協(xié)同物質(zhì)創(chuàng)制全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(sklscbs202557)的資助。同時(shí)感謝化學(xué)化工學(xué)院、張江高等研究院的大力支持。