《铜业工程》2024年第2期论文《催化材料调控室温钠硫电池性能的进展与挑战》，由合肥大学能源材料与化工学院金牛硕士供稿。论文全部作者分别是：金牛，黄倩倩，王黎丽，邓崇海，梁升，胡磊，刘伶俐，梁鑫；作者单位均为合肥大学能源材料与化工学院。
因气候变化和自然资源的快速枯竭，探索可再生能源并促进零碳排放迫在眉睫。随着电子电气设备能源需求日益增长，传统的锂离子电池已满足不了需求，室温钠硫电池（Na-S电池）因原材料丰富、价格便宜、环保和高容量密度（1675 mAh/g）而备受瞩目，成为大规模储能应用的潜在替代品。目前提高室温Na-S电池导电性的策略主要是通过与导电基底材料（如碳材料）复合、改善硫化物形貌结构、利用催化剂提高其可逆循环、电池结构设计等方面来提高硫化物的界面电荷转移速率，进而提高其导电性，促进电子的快速传导和缩短Na+的扩散途径。本文综述了不同类型的催化材料在Na-S电池中的应用进展以及各种催化材料与多硫化物的相互作用对电池性能的影响。
1. 过渡金属纳米团簇和其他掺杂
图1 Co@NPCNF/S复合材料独立式无黏结钴及电化学性能：（a）Co@NPCNF/S复合材料的优点；（b）0.1C电流密度下电池循环性能；（c） 0.1C~3C不同电流密度下的倍率性能
过渡金属氧化物有良好的化学性质，易于合成，成本低，对生态友好。其中氧离子的存在诱导了其与多硫化物的强极性相互作用，从而导致了吸附催化机制。图2展示了在氧化石墨烯上原位生长二氧化钒（VO2）纳米花催化剂（rGO/VO2/S复合材料）。结果发现，rGO/VO2/S复合材料在2C下循环1000次后容量为156.1 mAh/g，容量衰减仅为0.07%，这是因为VO2纳米结构的天然极性有助于捕获多硫化物。将加VO2催化剂与不加VO2催化剂的还原氧化石墨烯相比，VO2的催化作用加快了长链多硫化物向Na2S的转化速度。
图2 （a）rGO/VO2/S复合材料合成示意图；（b）VO2对反应速率的影响以及催化机理；（c）催化剂的催化机理；（d）无VO2时对反应速率的影响以及催化机理
过渡金属硫族化合物（硫化物和硒化物）具有良好的导电性能和催化性能，在Na-S电池中与Na负极反应形成的Na-S键和Na-Se键能够在催化转化硫化物过程中快速转移电子，并提高电极中活性物质硫的利用率。图3展示了一个夹在S正极和隔膜之间，基于MoS2的三维中间层网络上掺入磷的钠硫电池。三维网络可以防止二维纳米片的堆积，并为Na+的转移提供快速扩散通道。磷掺杂的MoS2形成更强的Mo-S和Na-P键来锚定多硫化物，并促进多硫化钠的S-S键和Na-S键的断裂，加速多硫化物的转化。
过渡金属碳化物和氮化物是一种低成本的极性材料，在M-S（M指Na，Li）电池中，加速多硫化物转化的氧化还原动力学速率。其中，过渡金属碳化物在Na-S电池中具有吸附PS物质和加速PS转化氧化还原动力学速率的双重作用。图4合成了一种蜂窝状催化剂（S/MoC@NHC），其超细α-MoC1-x纳米颗粒均匀分布在氮掺杂中空多孔碳球（MoC@NHC）上。通过模板法、自组装和热解过程制备的互联中空多孔结构（MoC@NHC）不仅为多硫化钠（NaPSs）的约束提供了场所，而且为电化学循环过程中的体积变化提供了足够的自由空间。实验结果和理论计算证实，极性α-MoC1-x纳米颗粒与N掺杂碳的偶联对NaPSs具有较强的亲和力，能促进NaPSs的催化转化。
本文对室温Na-S电池各种催化材料的设计和改性策略进行了总结和分析，讨论了钠在硫化物中的储存机理，强调了催化材料对提高电化学性能的意义。此外，还阐明了杂原子掺杂碳、过渡金属和金属化合物在这些体系中建立吸附和催化协同效应以减轻穿梭效应的作用。到目前为止，催化材料在加速硫氧化还原动力学方面已显示出良好的前景。然而，设计和开发催化材料对Na-S电池氧化还原途径方面的影响，今后还有待研究，可以通过表征技术进一步探索。催化反应是一种催化硫正极氧化还原过程的电化学反应，可以提高硫的转化动力学。然而，催化材料在加速电极反应后的表面性质变化目前尚未得到明确的探索。今后，还需对催化材料在反应过程中的结构变化方面展开研究。深入了解硫转化的催化原理是设计催化材料的关键。
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① 金牛，黄倩倩，王黎丽，邓崇海，梁升，胡磊，刘伶俐，梁鑫. 催化材料调控室温钠硫电池性能的进展与挑战 [J]. 铜业工程,2024(2):106-118.
② JIN Niu，HUANG Qianqian，WANG Lili，DENG Chonghai，LIANG Sheng，HU Lei，LIU Lingli，LIANG Xin. Progress and Challenges of Catalytic Materials in Regulating Performances for Room-Temperature Na-S Batteries [J]. Copper Engineering,2024(2):106-118.
doi: 10.3969/j.issn.1009-3842.2024.02.014
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《铜业工程》创刊于1984年，由江西铜业集团有限公司主管主办，是我国铜工业领域全面反映铜产业链技术进步和金属材料科技创新的双月刊。期刊为《有色金属领域高质量科技期刊分级目录（2023）》T3级别，同时被美国《化学文摘》、俄罗斯《文摘杂志》《中国核心期刊（遴选）数据库》《万方数据库》《维普中文科技期刊数据库》等国内外检索数据库平台收录。本刊主要刊登铜、铅锌、稀有金属、贵金属等有色金属在采选、冶金、加工、环保、分析测试等方面的最新科研成果及应用，以及有色金属领域产业数字化、“双碳”战略推进等研究论文和综述文章。
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