高比能室温钠硫电池在储能领域前景看好

中国科学院化学所研究员郭玉国带领的团队在新型高比能室温钠硫电池的研究方面取得了重要进展。相关研究结果最近发表在《先进材料》杂志的封底上。

郭玉国在接受笔者采访时表示，室温高比能钠硫电池在储能领域有着良好的应用前景，但要实现商业化还需要一段时间。

锂硫电池

钠硫电池前景广阔

2007年回国的郭玉国最初研究的是锂硫电池，而不是钠硫电池。

“锂硫电池是具有巨大应用前景的下一代高比能金属锂二次电池，其理论能量比是现有锂离子电池的4到5倍。”郭玉国说。

自2009年以来，郭玉国带领研究团队专注于锂硫电池。他们提出利用碳纳米孔限制的小链硫分子来解决锂硫电池中多硫化物离子溶解的问题，从而成功制备了具有优异电化学性能的纳米复合正极材料。

他向笔者介绍，这种非常规硫分子碳复合正极材料有效解决了锂硫电池硫阴极的循环问题，打破了传统硫阴极材料因多硫化物溶解而循环性能差的问题，使锂硫电池具有较长的循环寿命。

同时，由于硫颗粒的尺寸已经降低到分子水平，硫的电化学活性也得到了显著提高。

化学研究所锂硫电池研究团队的Hinson博士指出，这种基于纳米孔约束效应的小分子硫碳复合正极材料在锂硫电池中表现出高比容量、优异的循环稳定性和高倍率性能。

随着动力锂电池在电动汽车中的逐步应用，对锂的需求将大幅增加。

在锂硫电池材料方面取得重大突破后，郭玉国开始思考将其应用于钠硫电池的可能性：“传统锂离子电池的能量密度接近理论极限，而地壳中锂的丰度低、储量有限，使其成本高昂。随着全球储能需求的激增，锂资源可能面临稀缺的局面。相比之下，世界各地的钠资源非常丰富。例如，海水是不竭的sod来源铱离子。"

钠硫电池技术起源于20世纪60年代。钠硫电池是一种金属二次电池，通过硫和钠的电化学反应实现化学能和电能的相互转换。

与锂硫电池类似，钠硫电池的正极（S）和负极（Na）也具有较高的理论比容量。高温钠硫电池的理论比能高达760Whkg-1，在智能电网等储能领域具有较高的应用潜力。

此外，作为电极材料，钠硫具有明显的成本优势，这也使得钠硫电池具有很大的商业前景。

中投顾问新能源行业研究员沈洪文告诉笔者，与普通电池相比，钠硫电池具有高比能、大电流充电和高充放电效率的优点，自成立以来，一直受到各国科研机构和电池制造商的高度关注。

优势显而易见

自20世纪80年代末90年代初以来，国外重点发展高温钠硫电池在固定场合的储能应用（如电站储能），并逐渐显示出其优势。

自2002年以来，钠硫电池已进入商业化实施阶段。目前，东京电力公司（TEPCO）和NGK公司是商用高温钠硫电池的主要供应商。他们的高温钠硫电池的实际比能超过150Whkg-1，是铅酸电池的3~4倍……

电池。应用对象为电站负荷均衡、UPS应急电源和瞬时补偿电源。

然而，高温钠硫电池由于其在移动环境中的使用条件苛刻，以及在存储空间和电池安全方面的一定限制，尚未得到广泛应用。

传统的高温钠硫电池由于使用陶瓷电解质，需要在300℃以上工作，存在一定的安全隐患；

此外，在放电过程中，硫的还原并不完全，只能产生Na2S3（完全还原时应产生Na2S），这降低了正极材料的容量和电池的比能。

郭玉国告诉笔者，基于液体电解质的室温钠硫电池受硫阳极电化学活性低、放电中间产物易溶于电解质等缺点的限制，存在阳极活性材料利用率低、循环性能差等问题，严重影响了钠硫电池的性能和实际应用。

那么，我们是否可以开发一种高比能的室温钠硫电池来避免上述问题呢？

事实上，国际上已经开展了高比能室温钠硫电池的研究，但电池的循环稳定性较差，尚未取得突破。郭玉国指出：“随着近年来硫碳正极材料的发展，在室温下实现高比能钠硫电池的可能性正在逐渐增加。”

在此背景下，鉴于锂硫电池与室温钠硫电池的相似性，郭玉国和他的研究团队开创了小硫分子正极在钠硫电池中的应用，并组装了一种可以与钠负极和碳酸盐电解质在室温下工作的原型电池。

由于链状小硫分子在室温下对钠具有非常高的电化学活性，因此在放电过程中可以完全还原为Na2S，因此其基于硫质量的第一次循环放电容量高达1610mAhg-1，这是传统高温钠硫电池中硫阴极材料理论容量的三倍。

此外，根据电极材料的计算，室温钠硫电池第一次循环的比能可高达955Whkg-1，20次循环后仍能稳定在750Whkg-1左右。此外，室温钠硫电池还具有良好的倍率和循环性能。

“由于采用了新型纳米材料，这种具有高比能的新型室温钠硫电池的加工成本明显降低，电池回收利用也没有太大问题。此外，由于它诞生于锂硫电池，相关工艺也变得更加成熟。”郭玉国说。

工业化意义重大

在沈洪文看来，郭玉国团队研发的新型钠硫电池对加快钠硫电池产业化具有重要意义。核心技术的突破有望提高钠硫电池的稳定性，安全、高效、规模化生产有望逐步成为现实。

“这对我国钠硫电池的研究具有重要意义。未来，科研机构将继续朝着这个方向探索，以克服困难，尽快实现商业化运营。”沈洪文说。

显然，沈洪文的判断并非没有道理。郭玉国告诉笔者，一些长期从事锂硫电池的外国学者，在参加国际会议并听取了他的报告后，对制备这种室温高比能钠硫电池产生了浓厚的兴趣。“他们表示，未来可能会在这一领域做出努力”。

在实验室取得决定性成功后，研究团队的下一步是制造钠硫柔性电池。郭玉国表示：“如果成功，将接近工业化水平，但加工技术仍有待探索。相关理论原理没有问题。未来电池寿命应相当于锂离子电池的1000倍左右。”

他认为，如果能够借鉴锂离子电池产业化的经验，吸引足够多的企业参与研发，“可能会加快产业化进程。”

但郭玉国强调，室温高比能钠硫电池毕竟只是在实验室取得成功，距离最终商业化还有很长的路要走。“商业化之路还有很长的路要走。我希望外界能认真对待……

从理论上和客观上来说，不会盲目跟风。".

沈洪文还指出，钠硫电池技术的突破并没有产生切实的经济效益，实验室仍将是钠硫电池的技术研究的主要驱动力。

名词解释

二次电池，又称蓄电池、可充电电池，一般是指所有在电量耗尽后可以重新充电和重复使用的化学电源。

虽然二次电池的种类很多，但基本组成是相似的，即所有的电池都由正极、负极和电解质组成。根据不同的成分，目前已经商业化并正在实验室开发的二次电池包括铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂二次电池（包括锂离子电池、锂硫电池、锂空气电池和锂聚合物电池等），钠二次电池（包括钠离子电池、钠硫电池等）和燃料电池。

金属二次电池具有较高的理论比能，因此在电动汽车、智能电网和分布式储能电站等新兴储能领域具有巨大的应用潜力。

锂二次电池的发展主要经历了三个阶段：金属锂二次蓄电池、摇椅蓄电池和商业化锂离子蓄电池。与铅酸电池、镍镉电池等传统二次电池相比，锂离子电池具有放电电压高、比能高、循环寿命长、环保等明显优势。

与锂相比，地壳中钠的元素丰度排名第六，约占2.74%，储量丰富，钠的来源和分布广泛，其电化学财产与锂相似，这使得钠成为锂的有力替代品，可以缓解人们日益增长的锂资源需求。

与锂电池相比，钠电池具有成本较低的优势，主要用于大规模固定储能。高比能钠二次电池的开发可以与锂二次电池优势互补，共同推动能源运输行业的发展。目前，在众多钠二次电池系统中，主要有两种类型的电池，即钠离子电池和钠硫电池。中国科学院化学所研究员郭玉国带领的团队在新型高比能室温钠硫电池的研究方面取得了重要进展。相关研究结果最近发表在《先进材料》杂志的封底上。

郭玉国在接受笔者采访时表示，室温高比能钠硫电池在储能领域有着良好的应用前景，但要实现商业化还需要一段时间。

锂硫电池

钠硫电池前景广阔

2007年回国的郭玉国最初研究的是锂硫电池，而不是钠硫电池。

“锂硫电池是具有巨大应用前景的下一代高比能金属锂二次电池，其理论能量比是现有锂离子电池的4到5倍。”郭玉国说。

自2009年以来，郭玉国带领研究团队专注于锂硫电池。他们提出利用碳纳米孔限制的小链硫分子来解决锂硫电池中多硫化物离子溶解的问题，从而成功制备了具有优异电化学性能的纳米复合正极材料。

他向笔者介绍，这种非常规硫分子碳复合正极材料有效解决了锂硫电池硫阴极的循环问题，打破了传统硫阴极材料因多硫化物溶解而循环性能差的问题，使锂硫电池具有较长的循环寿命。

同时，由于硫颗粒的尺寸已经降低到分子水平，硫的电化学活性也得到了显著提高。

来自化学研究所锂硫电池研究团队的Hinson博士指出，这种小分子苏……

基于纳米孔约束效应的ur-碳复合正极材料在锂硫电池中表现出高比容量、优异的循环稳定性和高倍率性能。

随着动力锂电池在电动汽车中的逐步应用，对锂的需求将大幅增加。

在锂硫电池材料方面取得重大突破后，郭玉国开始思考将其应用于钠硫电池的可能性：“传统锂离子电池的能量密度接近理论极限，而地壳中锂的丰度低、储量有限，使其成本高昂。随着全球储能需求的激增，锂资源可能面临稀缺的局面。相比之下，世界各地的钠资源非常丰富。例如，海水是不竭的sod来源铱离子。"

钠硫电池技术起源于20世纪60年代。钠硫电池是一种金属二次电池，通过硫和钠的电化学反应实现化学能和电能的相互转换。

与锂硫电池类似，钠硫电池的正极（S）和负极（Na）也具有较高的理论比容量。高温钠硫电池的理论比能高达760Whkg-1，在智能电网等储能领域具有较高的应用潜力。

此外，作为电极材料，钠硫具有明显的成本优势，这也使得钠硫电池具有很大的商业前景。

中投顾问新能源行业研究员沈洪文告诉笔者，与普通电池相比，钠硫电池具有高比能、大电流充电和高充放电效率的优点，自成立以来，一直受到各国科研机构和电池制造商的高度关注。

优势显而易见

自20世纪80年代末90年代初以来，国外重点发展高温钠硫电池在固定场合的储能应用（如电站储能），并逐渐显示出其优势。

自2002年以来，钠硫电池已进入商业化实施阶段。目前，东京电力公司（TEPCO）和NGK公司是商用高温钠硫电池的主要供应商。他们的高温钠硫电池的实际比能超过150Whkg-1，是铅酸电池的3~4倍。应用对象为电站负荷均衡、UPS应急电源和瞬时补偿电源。

然而，高温钠硫电池由于其在移动环境中的使用条件苛刻，以及在存储空间和电池安全方面的一定限制，尚未得到广泛应用。

传统的高温钠硫电池由于使用陶瓷电解质，需要在300℃以上工作，存在一定的安全隐患；

此外，在放电过程中，硫的还原并不完全，只能产生Na2S3（完全还原时应产生Na2S），这降低了正极材料的容量和电池的比能。

郭玉国告诉笔者，基于液体电解质的室温钠硫电池受硫阳极电化学活性低、放电中间产物易溶于电解质等缺点的限制，存在阳极活性材料利用率低、循环性能差等问题，严重影响了钠硫电池的性能和实际应用。

那么，我们是否可以开发一种高比能的室温钠硫电池来避免上述问题呢？

事实上，国际上已经开展了高比能室温钠硫电池的研究，但电池的循环稳定性较差，尚未取得突破。郭玉国指出：“随着近年来硫碳正极材料的发展，在室温下实现高比能钠硫电池的可能性正在逐渐增加。”

在此背景下，鉴于锂硫电池与室温钠硫电池的相似性，郭玉国和他的研究团队开创了小硫分子正极在钠硫电池中的应用，并组装了一种可以与钠负极和碳酸盐电解质在室温下工作的原型电池。

由于链状小硫分子在室温下对钠具有非常高的电化学活性，因此在放电过程中可以完全还原为Na2S，因此其基于硫质量的第一次循环放电容量高达1610mAhg-1，这是传统高温钠硫电池中硫阴极材料理论容量的三倍。

此外，根据电极材料的计算，室温钠硫电池第一次循环的比能可高达955Whkg-1，20次循环后仍能稳定在750Whkg-1左右。此外，室温钠硫电池还具有良好的倍率和循环性能。

“由于采用了新型纳米材料，这种具有高比能的新型室温钠硫电池的加工成本明显降低，电池回收利用也没有太大问题。此外，由于它诞生于锂硫电池，相关工艺也变得更加成熟。”郭玉国说。

工业化意义重大

在沈洪文看来，郭玉国团队研发的新型钠硫电池对加快钠硫电池产业化具有重要意义。核心技术的突破有望提高钠硫电池的稳定性，安全、高效、规模化生产有望逐步成为现实。

“这对我国钠硫电池的研究具有重要意义。未来，科研机构将继续朝着这个方向探索，以克服困难，尽快实现商业化运营。”沈洪文说。

显然，沈洪文的判断并非没有道理。郭玉国告诉笔者，一些长期从事锂硫电池的外国学者，在参加国际会议并听取了他的报告后，对制备这种室温高比能钠硫电池产生了浓厚的兴趣。“他们表示，未来可能会在这一领域做出努力”。

在实验室取得决定性成功后，研究团队的下一步是制造钠硫柔性电池。郭玉国表示：“如果成功，将接近工业化水平，但加工技术仍有待探索。相关理论原理没有问题。未来电池寿命应相当于锂离子电池的1000倍左右。”

他认为，如果能够借鉴锂离子电池产业化的经验，吸引足够多的企业参与研发，“可能会加快产业化进程。”

但郭玉国强调，室温高比能钠硫电池毕竟只是在实验室取得成功，距离最终商业化还有很长的路要走。“商业化之路还有很长的路要走。我希望外界能认真对待……

从理论上和客观上来说，不会盲目跟风。".

沈洪文还指出，钠硫电池技术的突破并没有产生切实的经济效益，实验室仍将是钠硫电池的技术研究的主要驱动力。

名词解释

二次电池，又称蓄电池、可充电电池，一般是指所有在电量耗尽后可以重新充电和重复使用的化学电源。

虽然二次电池的种类很多，但基本组成是相似的，即所有的电池都由正极、负极和电解质组成。根据不同的成分，目前已经商业化并正在实验室开发的二次电池包括铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂二次电池（包括锂离子电池、锂硫电池、锂空气电池和锂聚合物电池等），钠二次电池（包括钠离子电池、钠硫电池等）和燃料电池。

金属二次电池具有较高的理论比能，因此在电动汽车、智能电网和分布式储能电站等新兴储能领域具有巨大的应用潜力。

锂二次电池的发展主要经历了三个阶段：金属锂二次蓄电池、摇椅蓄电池和商业化锂离子蓄电池。与铅酸电池、镍镉电池等传统二次电池相比，锂离子电池具有放电电压高、比能高、循环寿命长、环保等明显优势。

与锂相比，地壳中钠的元素丰度排名第六，约占2.74%，储量丰富，钠的来源和分布广泛，其电化学财产与锂相似，这使得钠成为锂的有力替代品，可以缓解人们日益增长的锂资源需求。

与锂电池相比，钠电池具有成本较低的优势，主要用于大规模固定储能。高比能钠二次电池的开发可以与锂二次电池优势互补，共同推动能源运输行业的发展。目前，在众多钠二次电池系统中，主要有两种类型的电池，即钠离子电池和钠硫电池。

标签：世纪优越

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