高比能室溫鈉硫電池在儲能領域前景看好

中國科學院化學所研究員郭玉國帶領的團隊在新型高比能室溫鈉硫電池的研究方面取得了重要進展。相關研究結果最近發表在《先進材料》雜志的封底上。

郭玉國在接受筆者采訪時表示，室溫高比能鈉硫電池在儲能領域有著良好的應用前景，但要實現商業化還需要一段時間。

鋰硫電池

鈉硫電池前景廣闊

2007年回國的郭玉國最初研究的是鋰硫電池，而不是鈉硫電池。

“鋰硫電池是具有巨大應用前景的下一代高比能金屬鋰二次電池，其理論能量比是現有鋰離子電池的4到5倍。”郭玉國說。

自2009年以來，郭玉國帶領研究團隊專注于鋰硫電池。他們提出利用碳納米孔限制的小鏈硫分子來解決鋰硫電池中多硫化物離子溶解的問題，從而成功制備了具有優異電化學性能的納米復合正極材料。

他向筆者介紹，這種非常規硫分子碳復合正極材料有效解決了鋰硫電池硫陰極的循環問題，打破了傳統硫陰極材料因多硫化物溶解而循環性能差的問題，使鋰硫電池具有較長的循環壽命。

同時，由于硫顆粒的尺寸已經降低到分子水平，硫的電化學活性也得到了顯著提高。

化學研究所鋰硫電池研究團隊的Hinson博士指出，這種基于納米孔約束效應的小分子硫碳復合正極材料在鋰硫電池中表現出高比容量、優異的循環穩定性和高倍率性能。

隨著動力鋰電池在電動汽車中的逐步應用，對鋰的需求將大幅增加。

在鋰硫電池材料方面取得重大突破后，郭玉國開始思考將其應用于鈉硫電池的可能性：“傳統鋰離子電池的能量密度接近理論極限，而地殼中鋰的豐度低、儲量有限，使其成本高昂。隨著全球儲能需求的激增，鋰資源可能面臨稀缺的局面。相比之下，世界各地的鈉資源非常豐富。例如，海水是不竭的sod來源銥離子。"

鈉硫電池技術起源于20世紀60年代。鈉硫電池是一種金屬二次電池，通過硫和鈉的電化學反應實現化學能和電能的相互轉換。

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

此外，作為電極材料，鈉硫具有明顯的成本優勢，這也使得鈉硫電池具有很大的商業前景。

中投顧問新能源行業研究員沈洪文告訴筆者，與普通電池相比，鈉硫電池具有高比能、大電流充電和高充放電效率的優點，自成立以來，一直受到各國科研機構和電池制造商的高度關注。

優勢顯而易見

自20世紀80年代末90年代初以來，國外重點發展高溫鈉硫電池在固定場合的儲能應用（如電站儲能），并逐漸顯示出其優勢。

自2002年以來，鈉硫電池已進入商業化實施階段。目前，東京電力公司（TEPCO）和NGK公司是商用高溫鈉硫電池的主要供應商。他們的高溫鈉硫電池的實際比能超過150Whkg-1，是鉛酸電池的3~4倍……

電池。應用對象為電站負荷均衡、UPS應急電源和瞬時補償電源。

然而，高溫鈉硫電池由于其在移動環境中的使用條件苛刻，以及在存儲空間和電池安全方面的一定限制，尚未得到廣泛應用。

傳統的高溫鈉硫電池由于使用陶瓷電解質，需要在300℃以上工作，存在一定的安全隱患；

此外，在放電過程中，硫的還原并不完全，只能產生Na2S3（完全還原時應產生Na2S），這降低了正極材料的容量和電池的比能。

郭玉國告訴筆者，基于液體電解質的室溫鈉硫電池受硫陽極電化學活性低、放電中間產物易溶于電解質等缺點的限制，存在陽極活性材料利用率低、循環性能差等問題，嚴重影響了鈉硫電池的性能和實際應用。

那么，我們是否可以開發一種高比能的室溫鈉硫電池來避免上述問題呢？

事實上，國際上已經開展了高比能室溫鈉硫電池的研究，但電池的循環穩定性較差，尚未取得突破。郭玉國指出：“隨著近年來硫碳正極材料的發展，在室溫下實現高比能鈉硫電池的可能性正在逐漸增加。”

在此背景下，鑒于鋰硫電池與室溫鈉硫電池的相似性，郭玉國和他的研究團隊開創了小硫分子正極在鈉硫電池中的應用，并組裝了一種可以與鈉負極和碳酸鹽電解質在室溫下工作的原型電池。

由于鏈狀小硫分子在室溫下對鈉具有非常高的電化學活性，因此在放電過程中可以完全還原為Na2S，因此其基于硫質量的第一次循環放電容量高達1610mAhg-1，這是傳統高溫鈉硫電池中硫陰極材料理論容量的三倍。

此外，根據電極材料的計算，室溫鈉硫電池第一次循環的比能可高達955Whkg-1，20次循環后仍能穩定在750Whkg-1左右。此外，室溫鈉硫電池還具有良好的倍率和循環性能。

“由于采用了新型納米材料，這種具有高比能的新型室溫鈉硫電池的加工成本明顯降低，電池回收利用也沒有太大問題。此外，由于它誕生于鋰硫電池，相關工藝也變得更加成熟。”郭玉國說。

工業化意義重大

在沈洪文看來，郭玉國團隊研發的新型鈉硫電池對加快鈉硫電池產業化具有重要意義。核心技術的突破有望提高鈉硫電池的穩定性，安全、高效、規模化生產有望逐步成為現實。

“這對我國鈉硫電池的研究具有重要意義。未來，科研機構將繼續朝著這個方向探索，以克服困難，盡快實現商業化運營。”沈洪文說。

顯然，沈洪文的判斷并非沒有道理。郭玉國告訴筆者，一些長期從事鋰硫電池的外國學者，在參加國際會議并聽取了他的報告后，對制備這種室溫高比能鈉硫電池產生了濃厚的興趣。“他們表示，未來可能會在這一領域做出努力”。

在實驗室取得決定性成功后，研究團隊的下一步是制造鈉硫柔性電池。郭玉國表示：“如果成功，將接近工業化水平，但加工技術仍有待探索。相關理論原理沒有問題。未來電池壽命應相當于鋰離子電池的1000倍左右。”

他認為，如果能夠借鑒鋰離子電池產業化的經驗，吸引足夠多的企業參與研發，“可能會加快產業化進程。”

但郭玉國強調，室溫高比能鈉硫電池畢竟只是在實驗室取得成功，距離最終商業化還有很長的路要走。“商業化之路還有很長的路要走。我希望外界能認真對待……

從理論上和客觀上來說，不會盲目跟風。".

沈洪文還指出，鈉硫電池技術的突破并沒有產生切實的經濟效益，實驗室仍將是鈉硫電池的技術研究的主要驅動力。

名詞解釋

二次電池，又稱蓄電池、可充電電池，一般是指所有在電量耗盡后可以重新充電和重復使用的化學電源。

雖然二次電池的種類很多，但基本組成是相似的，即所有的電池都由正極、負極和電解質組成。根據不同的成分，目前已經商業化并正在實驗室開發的二次電池包括鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰二次電池（包括鋰離子電池、鋰硫電池、鋰空氣電池和鋰聚合物電池等），鈉二次電池（包括鈉離子電池、鈉硫電池等）和燃料電池。

金屬二次電池具有較高的理論比能，因此在電動汽車、智能電網和分布式儲能電站等新興儲能領域具有巨大的應用潛力。

鋰二次電池的發展主要經歷了三個階段：金屬鋰二次蓄電池、搖椅蓄電池和商業化鋰離子蓄電池。與鉛酸電池、鎳鎘電池等傳統二次電池相比，鋰離子電池具有放電電壓高、比能高、循環壽命長、環保等明顯優勢。

與鋰相比，地殼中鈉的元素豐度排名第六，約占2.74%，儲量豐富，鈉的來源和分布廣泛，其電化學財產與鋰相似，這使得鈉成為鋰的有力替代品，可以緩解人們日益增長的鋰資源需求。

與鋰電池相比，鈉電池具有成本較低的優勢，主要用于大規模固定儲能。高比能鈉二次電池的開發可以與鋰二次電池優勢互補，共同推動能源運輸行業的發展。目前，在眾多鈉二次電池系統中，主要有兩種類型的電池，即鈉離子電池和鈉硫電池。中國科學院化學所研究員郭玉國帶領的團隊在新型高比能室溫鈉硫電池的研究方面取得了重要進展。相關研究結果最近發表在《先進材料》雜志的封底上。

郭玉國在接受筆者采訪時表示，室溫高比能鈉硫電池在儲能領域有著良好的應用前景，但要實現商業化還需要一段時間。

鋰硫電池

鈉硫電池前景廣闊

2007年回國的郭玉國最初研究的是鋰硫電池，而不是鈉硫電池。

“鋰硫電池是具有巨大應用前景的下一代高比能金屬鋰二次電池，其理論能量比是現有鋰離子電池的4到5倍。”郭玉國說。

自2009年以來，郭玉國帶領研究團隊專注于鋰硫電池。他們提出利用碳納米孔限制的小鏈硫分子來解決鋰硫電池中多硫化物離子溶解的問題，從而成功制備了具有優異電化學性能的納米復合正極材料。

他向筆者介紹，這種非常規硫分子碳復合正極材料有效解決了鋰硫電池硫陰極的循環問題，打破了傳統硫陰極材料因多硫化物溶解而循環性能差的問題，使鋰硫電池具有較長的循環壽命。

同時，由于硫顆粒的尺寸已經降低到分子水平，硫的電化學活性也得到了顯著提高。

來自化學研究所鋰硫電池研究團隊的Hinson博士指出，這種小分子蘇……

基于納米孔約束效應的ur-碳復合正極材料在鋰硫電池中表現出高比容量、優異的循環穩定性和高倍率性能。

隨著動力鋰電池在電動汽車中的逐步應用，對鋰的需求將大幅增加。

在鋰硫電池材料方面取得重大突破后，郭玉國開始思考將其應用于鈉硫電池的可能性：“傳統鋰離子電池的能量密度接近理論極限，而地殼中鋰的豐度低、儲量有限，使其成本高昂。隨著全球儲能需求的激增，鋰資源可能面臨稀缺的局面。相比之下，世界各地的鈉資源非常豐富。例如，海水是不竭的sod來源銥離子。"

鈉硫電池技術起源于20世紀60年代。鈉硫電池是一種金屬二次電池，通過硫和鈉的電化學反應實現化學能和電能的相互轉換。

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

此外，作為電極材料，鈉硫具有明顯的成本優勢，這也使得鈉硫電池具有很大的商業前景。

中投顧問新能源行業研究員沈洪文告訴筆者，與普通電池相比，鈉硫電池具有高比能、大電流充電和高充放電效率的優點，自成立以來，一直受到各國科研機構和電池制造商的高度關注。

優勢顯而易見

自20世紀80年代末90年代初以來，國外重點發展高溫鈉硫電池在固定場合的儲能應用（如電站儲能），并逐漸顯示出其優勢。

自2002年以來，鈉硫電池已進入商業化實施階段。目前，東京電力公司（TEPCO）和NGK公司是商用高溫鈉硫電池的主要供應商。他們的高溫鈉硫電池的實際比能超過150Whkg-1，是鉛酸電池的3~4倍。應用對象為電站負荷均衡、UPS應急電源和瞬時補償電源。

然而，高溫鈉硫電池由于其在移動環境中的使用條件苛刻，以及在存儲空間和電池安全方面的一定限制，尚未得到廣泛應用。

傳統的高溫鈉硫電池由于使用陶瓷電解質，需要在300℃以上工作，存在一定的安全隱患；

此外，在放電過程中，硫的還原并不完全，只能產生Na2S3（完全還原時應產生Na2S），這降低了正極材料的容量和電池的比能。

郭玉國告訴筆者，基于液體電解質的室溫鈉硫電池受硫陽極電化學活性低、放電中間產物易溶于電解質等缺點的限制，存在陽極活性材料利用率低、循環性能差等問題，嚴重影響了鈉硫電池的性能和實際應用。

那么，我們是否可以開發一種高比能的室溫鈉硫電池來避免上述問題呢？

事實上，國際上已經開展了高比能室溫鈉硫電池的研究，但電池的循環穩定性較差，尚未取得突破。郭玉國指出：“隨著近年來硫碳正極材料的發展，在室溫下實現高比能鈉硫電池的可能性正在逐漸增加。”

在此背景下，鑒于鋰硫電池與室溫鈉硫電池的相似性，郭玉國和他的研究團隊開創了小硫分子正極在鈉硫電池中的應用，并組裝了一種可以與鈉負極和碳酸鹽電解質在室溫下工作的原型電池。

由于鏈狀小硫分子在室溫下對鈉具有非常高的電化學活性，因此在放電過程中可以完全還原為Na2S，因此其基于硫質量的第一次循環放電容量高達1610mAhg-1，這是傳統高溫鈉硫電池中硫陰極材料理論容量的三倍。

此外，根據電極材料的計算，室溫鈉硫電池第一次循環的比能可高達955Whkg-1，20次循環后仍能穩定在750Whkg-1左右。此外，室溫鈉硫電池還具有良好的倍率和循環性能。

“由于采用了新型納米材料，這種具有高比能的新型室溫鈉硫電池的加工成本明顯降低，電池回收利用也沒有太大問題。此外，由于它誕生于鋰硫電池，相關工藝也變得更加成熟。”郭玉國說。

工業化意義重大

在沈洪文看來，郭玉國團隊研發的新型鈉硫電池對加快鈉硫電池產業化具有重要意義。核心技術的突破有望提高鈉硫電池的穩定性，安全、高效、規模化生產有望逐步成為現實。

“這對我國鈉硫電池的研究具有重要意義。未來，科研機構將繼續朝著這個方向探索，以克服困難，盡快實現商業化運營。”沈洪文說。

顯然，沈洪文的判斷并非沒有道理。郭玉國告訴筆者，一些長期從事鋰硫電池的外國學者，在參加國際會議并聽取了他的報告后，對制備這種室溫高比能鈉硫電池產生了濃厚的興趣。“他們表示，未來可能會在這一領域做出努力”。

在實驗室取得決定性成功后，研究團隊的下一步是制造鈉硫柔性電池。郭玉國表示：“如果成功，將接近工業化水平，但加工技術仍有待探索。相關理論原理沒有問題。未來電池壽命應相當于鋰離子電池的1000倍左右。”

他認為，如果能夠借鑒鋰離子電池產業化的經驗，吸引足夠多的企業參與研發，“可能會加快產業化進程。”

但郭玉國強調，室溫高比能鈉硫電池畢竟只是在實驗室取得成功，距離最終商業化還有很長的路要走。“商業化之路還有很長的路要走。我希望外界能認真對待……

從理論上和客觀上來說，不會盲目跟風。".

沈洪文還指出，鈉硫電池技術的突破并沒有產生切實的經濟效益，實驗室仍將是鈉硫電池的技術研究的主要驅動力。

名詞解釋

二次電池，又稱蓄電池、可充電電池，一般是指所有在電量耗盡后可以重新充電和重復使用的化學電源。

雖然二次電池的種類很多，但基本組成是相似的，即所有的電池都由正極、負極和電解質組成。根據不同的成分，目前已經商業化并正在實驗室開發的二次電池包括鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰二次電池（包括鋰離子電池、鋰硫電池、鋰空氣電池和鋰聚合物電池等），鈉二次電池（包括鈉離子電池、鈉硫電池等）和燃料電池。

金屬二次電池具有較高的理論比能，因此在電動汽車、智能電網和分布式儲能電站等新興儲能領域具有巨大的應用潛力。

鋰二次電池的發展主要經歷了三個階段：金屬鋰二次蓄電池、搖椅蓄電池和商業化鋰離子蓄電池。與鉛酸電池、鎳鎘電池等傳統二次電池相比，鋰離子電池具有放電電壓高、比能高、循環壽命長、環保等明顯優勢。

與鋰相比，地殼中鈉的元素豐度排名第六，約占2.74%，儲量豐富，鈉的來源和分布廣泛，其電化學財產與鋰相似，這使得鈉成為鋰的有力替代品，可以緩解人們日益增長的鋰資源需求。

與鋰電池相比，鈉電池具有成本較低的優勢，主要用于大規模固定儲能。高比能鈉二次電池的開發可以與鋰二次電池優勢互補，共同推動能源運輸行業的發展。目前，在眾多鈉二次電池系統中，主要有兩種類型的電池，即鈉離子電池和鈉硫電池。

標簽：世紀優越

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