Small Science:图文解析室温钠硫电池正极的研究进展与挑战

室温钠硫(RT Na-S)电池因为其高理论容量、低成本、环境友好等优势,被认为是大规模储能系统领域最具潜力的竞争者。然而,在实际应用中,多硫化钠在电解液中严重的穿梭效应、硫及相应放电产物的低电子电导、循环过程中电极材料大的体积变化等问题,导致电池循环寿命短、倍率性能差,给其商业化进程带来了巨大挑战。因此,目前的改性室温钠硫电池的策略包括:通过微纳结构设计和组分调控,以提升硫载体对可溶性多硫化物的物理限域、化学吸附以及催化转化能力,进而提升RT Na-S的电化学性能。

近日,中国科学技术大学余彦教授团队在Small Science上系统综述了现有RT Na-S电池硫正极的最新研究进展以及面临的挑战;分别讨论了在多孔碳基体上负载过渡金属单原子、过渡金属纳米团簇、过渡金属化合物、异质结构等“吸附-催化”剂的设计策略对RT Na-S电池电化学性能的影响机制;梳理了基于各类电化学表征的非原位/原位表征技术,并总结了氧化还原过程中多硫化钠的多步反应机理及其演化过程;最后,对RT Na-S电池的前景和未来研究方向进行了展望,为RT Na-S电池的持续发展提供了指导。

图1 室温钠硫电池硫正极改性策略的总结

在该综述中,作者首先介绍了RT Na-S电池的充放电机理,以及目前严重制约RT Na-S电池实用化发展的问题与挑战,如缓慢的氧化还原反应动力学、严重的多硫化物穿梭效应和大的体积变化。然后,作者提出了基于多孔碳硫载体的微纳结构设计,引入“吸附-催化”活性物质,以应对RT Na-S电池所存在的问题与挑战。基于多孔碳硫载体的设计原则总结如下:

1)分级孔结构碳基体

作者系统梳理了基于不同孔径结构的多孔碳基体对长链可溶性多硫化物的物理限域作用,保证较高的活性硫的负载的同时缓解体积膨胀效应,同时将可溶性多硫化物物理限域于梯度孔中,缓解穿梭效应,提高RT Na-S电池的循环稳定性。

图2 室温钠硫电池分级孔结构碳/硫正极材料和电化学性能

2)杂原子掺杂

非极性多孔碳基体与长链多硫化物之间较弱的范德华力无法有效的抑制多硫化物的溶解与穿梭,通过杂原子掺杂引入极性组分,可有效提高对长链多硫化物的化学吸附作用。

图3 室温钠硫电池杂原子掺杂的碳/硫正极材料和电化学性能

3吸附催化极性物质引入

极性基团修饰的多孔碳基体提升了对多硫化物的吸附作用,在该基础上,作者系统阐述了在多孔碳基体中引入具有吸附、催化作用的极性组分,如过渡金属单原子、团簇及纳米颗粒、金属氧化物/硫化物/碳化物等、以及异质结构等。“吸附-催化”极性物质的引入,可增强基体与可溶性多硫化物之间的化学吸附作用,同时催化可溶性长链多硫化物向Na2S2和Na2S的快速转化,提升了氧化还原反应动力学,实现了RT Na-S电池电化学性能的大幅提升。其中,异质结构中的两相组分协同发挥吸附-催化作用机制,有效的提升了对多硫化物的吸附和加快转化反应动力学,在众多的研究中,吸引了众多研究者的关注。此外,作者还介绍了其它如路易斯酸碱相互作用、共价相互作用和硫-氧化学吸附作用等,对可溶性多硫化物进行化学吸附和高效的催化转化,实现了对穿梭效应的有效抑制。实际上,在RT Na-S 电池中,从Na2S4到Na2S2或Na2S2到Na2S是反应的决速步,因而引入各种高效催化剂以促进Na2S2的成核以及降低Na2S2到Na2S的反应能垒,可有效的减弱可溶性长链多硫化物的积聚进而避免严重的穿梭效应和加快转化反应动力学。因此,高效催化剂的设计是RT Na-S 电池正极材料研究的关键。

与此同时,作者系统梳理了基于各类电化学表征和非原位/原位表征技术,原位表征技术用于原位实时监测电池在充放电过程中不同充放电深度下,产物的物相和价态变化,揭示RT Na-S 电池中间产物的演变过程和催化剂的催化转化机制。

图4 室温钠硫电池异质结构碳/硫正极材料和电化学性能

最后,作者从RT Na-S电池高效催化剂的催化机制和设计原则、原位表征技术的发展、实用化进程中高硫载量和低液硫比等方面,对RT Na-S电池的进一步发展做出了展望。

论文信息:

Status and Challenges of Cathode Materials for Room Temperature Sodium-Sulfur Batteries

Ying Wu, Liang Wu, Shufan Wu, Yu Yao, Yuezhan Feng, Yan Yu*

Small Science

DOI: 10.1002/smsc.202100059

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smsc.202100059