室温钠硫电池(RT Na–S)因采用储量丰富、无毒且成本低廉的钠(Na)和硫(S)作为活性材料,展现出在能源存储系统中的广阔应用前景。与传统锂离子电池相比,RT Na–S 电池具有高达1274 Wh kg⁻¹的超高理论能量密度。然而,现有RT Na–S电池普遍使用金属钠作为负极,存在安全性和界面稳定性差的问题,严重限制其商业化前景。为此,开发无钠负极体系成为该领域研究的关键。
在无钠负极体系中,硫化钠(Na₂S)作为最具潜力的初始正极材料,不仅来源于工业废料,符合资源与环境可持续原则,还能在完全放电状态下为后续体积膨胀提供空间。然而,Na₂S 导电性差、转化动力学缓慢以及钠多硫化物(NaPSs)中间体的穿梭效应等问题,给其应用带来巨大挑战。尽管已有研究通过纳米结构设计(如Na₂S@C)显著改善了其电化学性能,但复杂的制备工艺和高昂的成本限制了其大规模应用。因此,开发长循环寿命且以微米级Na₂S为基础的高性能正极材料,成为当前亟待突破的技术瓶颈。
鉴于此,来自中科大吴晓东/河海大学许晶晶团队在RT Na–S电池研究中取得重要进展。研究团队通过调控Na₂S沉积行为,设计并制备了一种新型Na₂S/CPVP@Cu₂S正极材料。该材料通过热处理使微米级Na₂S与碳化聚乙烯吡咯烷酮(CPVP)形成连续导电网络,同时利用铜集流体表面的氧化层与Na₂S原位反应生成硫化铜(Cu₂S)催化剂。在首次循环过程中,微米级Na₂S通过固-液-固转化快速自精化为纳米级颗粒,并在后续循环中保持尺寸稳定。Cu₂S催化剂和导电网络的协同作用显著加速了NaPSs的转化动力学,有效抑制了穿梭效应。
在电化学测试中,Na₂S/CPVP@Cu₂S正极在醚基电解质中表现出优异的循环稳定性和倍率性能:在0.4 A g⁻¹电流密度下循环500次后仍保持670 mAh gS⁻¹的高可逆容量,平均库伦效率超过99.7%。此外,在与硬碳负极(HC)构成的全电池中,该材料在200次循环后仍保持518 mAh gS⁻¹的容量。该研究不仅实现了工业废弃Na₂S的稳定循环应用,也为无钠负极体系的RT Na–S电池研究和实用化提供了重要参考。