金属硫电池可充放电1万次：5-10年内有望成为储能新方式

最新研究表明，未来电池的充放电次数或将增加至少一倍。

据外媒12月15日消息，澳大利亚阿德莱德大学（University of Adelaide）的研究人员近日在硫电池技术方面取得重大进展，相关研究成果发表在《自然-通讯》杂志上。

据该大学能源与催化材料中心主任乔世璋教授介绍，研究人员设计了一种全新的高效电极材料，来催化电池反应并提高金属硫电池的耐用性。他表示，金属硫电池具有低成本和高能量密度的特点，是下一代储能设备的主要选项之一。然而，该类电池的循环耐久性普遍较差，可以充电的次数有限。研究人员针对该问题进行了改进，他们所设计的新型硫金属电池充放电次数可达10000次。

在相同重量的情况下，金属硫电池存储的能量可达目前一代锂离子电池的2倍以上。其中，钠硫电池的成本更是比锂离子电池便宜数倍，使用的材料也具有环保性，未来可能成为电动汽车以及手机、笔记本电脑等电子产品供电的主流能源。

随着能源转型的加速，未来电池的需求量将不断加大。该研究为新一代金属硫电池的开发提供了新的可能性，有助于在确保能源安全可靠的同时，进一步降低能源成本。

“这些基础研究进展将有助于提升高性能金属硫电池的合理设计，并促进大规模储能技术的发展。”乔世璋预计，“在研究成果的支持下，金属硫电池有望在5-10年内成为储能行业的可行方法，无论是从技术上还是经济上来看。”

金属硫电池是一种以硫为正极、以金属为负极的电池。而钠硫电池（NaS）是金属硫电池的一种，具有体积小、容量大、寿命长、效率高等特点。虽然目前的技术水平下，钠硫电池能量密度只能达到150-240瓦时/千克，但理论上钠硫电池能量密度最高可达760瓦时/千克。

根据新思界产业研究中心发布的《2021-2025年金属硫电池行业深度市场调研及投资策略建议报告》显示，由于金属硫电池正极材料硫的理论比容量高，负极材料需要采用同样高容量的金属，主要有锂、钠、铝、镁等，电解液一般采用可良好溶解中间反应产物的醚类。

目前，学界对金属硫化物电沉积和动力学机理的基本认识有限。硫阴极中的金属硫化物电沉积缓解了多硫化物的穿梭效应，从而在二次金属硫电池中实现高库仑效率。基于此，乔世璋教授研究团队使用室温钠硫电池作为模型系统，提出了一种Mo5N6阴极材料，可以显著催化硫化钠（Na2S）电沉积，并提高钠硫电池的性能。

Mo5N6、MoN和Mo2N的原子和电子结构表征

与乔世璋团队从阴极材料着手的研究方向不同，美国的一支研究团队通过调整电解液的组成改善了钠硫电池的性能，能在历经300次充放电后保持性能稳定。

此前，美国科学家在《美国化学学会杂志》上发表论文称，他们研制出了一种新式钠硫电池。通过调整电解液的组成防止硫溶解，解决了钠电池普遍面临的穿梭和枝晶等问题，让电池的寿命更长、安全性更高。

研究人员解释称，在以前的钠硫电池电解液中，由硫形成的中间化合物会溶解在电解液中，并在电池内的两个电极之间穿梭，导致材料损失、部件退化和枝晶形成。而他们调配的新电解液采用惰性（不参与化学反应）溶剂稀释浓盐溶液，从而使电解液保持“半溶解”状态。

该研究负责人、美国得克萨斯大学奥斯汀分校材料研究所所长阿鲁姆甘·曼提拉姆教授说：“钠和硫含量丰富，对环境无害，而且成本更低，钠硫电池堪称一种‘梦想电池’。”

目前市面上主流的锂离子电池正面临原材料涨价、供应链不稳定的瓶颈。其主要材料锂和钴不仅储量短缺，而且开采过程会对环境产生一定的负面影响，包括使用大量地下水、污染土壤和水源、碳排放高等。

而钠硫电池的主要材料钠和硫易得性更强，价格较低的同时也更环保。地球上钠元素的含量是锂元素的400多倍，且钠离子可以从海洋中提取。如果未来钠电池可以在一定程度上替代锂电池，那么电动汽车及其他电子产品的价格都会显著下降。

虽然钠硫电池具有多方面的优势，但两个明显的缺陷阻碍了“梦想电池”走进现实。一方面，钠硫电池的原材料易燃，存在安全隐患；另一方面，由于常温下的硫导电性较差，导致其对使用环境的温度要求苛刻。正因如此，研究能在室温下工作的钠电池一直是研究人员努力的方向。

目前，钠硫电池的应用主要集中在固定场景下的储能领域，包括削峰填谷、应急电源、风力发电等，全球已有上百座钠硫电池储能电站在运行。

澎湃新闻记者 秦艺逍