與傳統(tǒng)鈉硫電池(工作溫度300~350°C)相比，室溫鈉硫電池具有能量密度高(1274Whkg-1)、安全性好等顯著優(yōu)勢。然而，當前室溫鈉硫電池仍面對著諸多問題，如多硫化物穿梭效應造成的自放電嚴重、循環(huán)壽命短，以及鈉金屬負極帶來的枝晶生長等。傳統(tǒng)上將硫與多孔碳材料復合的物理固硫方法并不能充分抑制穿梭效應。因此，在硫碳復合材料中引入化學鍵增強固硫效果是發(fā)展高性能硫電極的合理思路。另一方面，雖然使用聚合物電解質取代有機電解液可以顯著降低電池著火、漏液等安全隱患，然而目前聚合物電解質普遍具有低電導率和高阻抗電極/電解質界面的缺陷，限制了其在鈉硫電池中的應用。

有鑒于此，最近悉尼科技大學汪國秀教授課題組、清華大學深圳研究生院李寶華教授課題組及西班牙CICEnergigune研究所MichelArmand教授課題組等合作，采用有機合成方法開發(fā)出高性能聚合物硫正極材料和凝膠聚合物電解質材料，并將其應用于室溫鈉硫電池，表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)性能和安全性。通過機理分析發(fā)現(xiàn)，聚合物硫電極可以通過化學鍵有效固硫從而抑制穿梭效應;同時高電導率的凝膠聚合物電解質不僅可顯著抑制多硫化物擴散，而且有助于在循環(huán)中形成穩(wěn)定的鈉金屬負極/聚合物電解質界面。該文章發(fā)表在國際優(yōu)秀化學期刊Angew.Chem.Int.Ed.上(影響因子：12.102)。

圖1.準固態(tài)鈉硫電池制備示意圖。首先，185℃下在熔融硫中加入季戊四醇四丙烯酸酯(PETEA)單體制備出聚合物硫材料，進而將其與多孔碳基體復合，獲得聚合物硫@碳正極材料。隨后，將PETEA單體與異氰脲酸三(2-丙烯酰氧乙基)酯(THEICTA)單體溶于有機電解液，在紫外照射引發(fā)下于玻璃纖維膜中原位制得柔性凝膠聚合物電解質膜。最后以復合聚合物硫電極、凝膠聚合物電解質與鈉金屬負極裝配準固態(tài)室溫鈉硫電池。

圖2.聚合物硫電極的表征。(a)1H-NMR與(b)S2pXPS光譜;(c)聚合物硫與聚合物硫@碳的XRD譜;(d)鈉/電解液/硫@碳與鈉/電解液/聚合物硫@碳電池0.1mV/s下的CV曲線。

圖3.(PETEA-THEICTA)基凝膠聚合物電解質的表征。(a)凝膠形成前后紅外光譜變化;(b)電導率-溫度變化曲線。該凝膠聚合物電解質室溫電導率可達3.85×10-3S/cm;(c)鈉/凝膠聚合物電解質/鈉對稱電池0.1mA/cm2下的恒流循環(huán)曲線;(d)電解液和凝膠聚合物電解質中多硫化物形成/擴散的直觀觀察比較;(e)多硫化物Na2S6與PETEA和THEICTA間的結合能.

圖4.準固態(tài)鈉硫電池的電化學性能。(a)不同電流下的充放電曲線和(b)倍率循性能;(c)0.1C下電池循環(huán)性能。100次循環(huán)后仍可達到736mAh/g。(d)鈉/電解液/硫@碳與(e)鈉/凝膠聚合物電解質/聚合物硫@碳電池0.1C下循環(huán)100次后的鈉金屬負極形貌。凝膠聚合物電解質的使用顯著抑制了多硫化物沉積和鈉枝晶生長;(f)與已報道的聚合物室溫鈉硫電池的性能比較。

小結：

1)采用星形交聯(lián)單體成功制備了新型聚合物硫電極和功能化凝膠聚合物電解質材料;

2)在準固態(tài)室溫鈉硫電池中，聚合物硫電極通過化學鍵實現(xiàn)強效固硫，而兼具高電導率和高安全性的凝膠聚合物電解質可同時抑制多硫化物擴散并穩(wěn)定鈉金屬負極/電解質界面;這一雙重優(yōu)化用途使得該室溫鈉硫電池表現(xiàn)出良好的可逆容量和循環(huán)性能。

本工作為低成本、高性能室溫鈉硫電池的發(fā)展開辟了新的道路。