图片来源：上海交通大学

据上海交通大学消息，1月8日，上海交通大学变革性分子前沿科学中心孙浩副教授团队在《自然》（Nature）在线发表题为“High-voltage anode-free sodium-sulfur batteries”的研究论文，这项研究将传统碱金属-硫电池体系的S⁰/S²⁻低价态反应路径变革为S⁰/S⁴⁺的高价态反应路径，在国际上首创高电压、无负极的钠硫电池新体系，有效突破了放电电压和安全性方面的限制，为发展新一代大规模储能技术提供了全新路径。

据介绍，室温钠硫电池具有高元素丰度和低成本优势，是大规模储能技术的重要候选路线。然而基于单质硫到硫化钠的低价态反应路径（S⁰/S²⁻）使电池的放电电压普遍低于1.6V，远低于传统锂/钠离子电池。同时，该低价态反应导致负极需要过量使用化学性质活泼的金属钠，为电池制备及运行带来严重安全隐患。

图1. 基于高价态硫氧化还原反应的高电压、无负极钠硫电池

针对上述挑战，孙浩团队提出基于高价态硫反应路径（S⁰/S⁴⁺）的高电压、无负极的钠硫电池体系（图1）。基于S/SCl₄的高价态可逆反应（理论容量为3350mAh/g），使该电池放电电压大幅提升至3.6V，并能充电时在负极原位生成钠金属，从而在电池制备过程中不使用钠金属，显著提升了电池安全性和成本效益。

通过系列先进表征技术结合理论计算分析，团队揭示了S⁰/S⁴⁺高价态氧化还原反应机制。通过优选含二氰胺钠（NaDCA）的氯铝酸盐电解液，从分子尺度上破解了高价硫转化反应能垒高、可逆性差的难题。在负极侧，NaDCA能够在负极诱导形成富含氮元素的固体电解质中间相（如NaCN和Na₃N），该独特界面钝化层使钠金属可逆沉积/剥离的最大电流密度达到50mA/cm²，并在12mAh/cm²的高面容量条件下稳定循环，为构建无负极电池奠定了关键基础。

图2. 电池的电化学性能及应用验证

研究团队进一步通过聚合物材料的化学结构设计，合成出能够高效催化硫单质高价态转化的铋/共价有机框架材料，显著提升了硫正极的充放电深度和反应动力学，正极比容量最高可达1206mAh/g（图2a），基于正负极总质量计算的能量密度达到2021Wh/kg。高价态正极反应及无负极结构赋予该电池体系优异的应用潜力，其可在–40°C至80°C的超宽温域内稳定运行（图2b），在搁置400天后仍能正常工作（图2c），预估材料成本与传统钠电池相比具有优势（图2d）。为了进一步验证该电池体系的可拓展性，团队成功制备出安时级电池（图2e）及柔性纤维状电池（图2f），并系统验证了其在点燃、弯曲、切割等系列实际应用场景下的安全性（图2g），展示出多场景应用潜力。团队也将钠硫电池拓展至高电压、无负极锂硫电池体系（图2h），初步验证了高价态硫转化反应路径的普适性。

该工作实现了钠硫电池反应从“低价态还原”到“高价态氧化”的路线创新，推动了电池结构从“过量钠金属”向“无负极结构”的重要跨越。不仅突破了长期制约碱金属-硫电池体系发展关键性能局限，更为构建低成本、可持续、高性能的新型储能体系提供了理论依据与技术支撑，有望在大规模储能、低空经济、人工智能、国防军事等重大需求领域发挥关键作用，为实现国家能源转型与“双碳”目标提供关键支撑。上海交通大学变革性分子前沿科学中心孙浩副教授和复旦大学彭慧胜院士为论文共同通讯作者。变革性分子前沿科学中心博士生耿世涛和袁斌（已毕业）为论文共同第一作者。