具有高Co/Ni活性的无定形/晶体交织多足体在宽温域钠–硫电池中的应用

为何更好的电池在各种天气下都重要

现代生活离不开可充电电池，但很多电池在严寒或酷热时性能会大幅下降。钠–硫电池作为一种低成本的可再生能量储存方案具有吸引力，然而在低温时功率会下降，在高温时又容易加速老化。本研究提出了一种新型电池材料，能使钠–硫电池在远低于冰点到炎热夏日的宽广温度范围内保持高效运行，推动我们更接近耐候性强的全气候能量存储。

复杂电池背后的一条简单思路

钠–硫电池使用丰富的元素：一侧为金属钠，另一侧为硫。在充放电过程中，钠和硫经历一系列复杂的电子和化学步骤。理论上这赋予了电池很高的容量，但实际中这些过程会变慢，并产生称为钠多硫化物的中间产物，这些物质可溶解并在电池内部迁移。其结果是反应迟缓、容量衰减，尤其在极冷或极热条件下表现更差。

设计一种微小的星形助剂

研究人员通过在硫电极中引入一种专门设计的催化剂来应对这些限制，帮助引导反应过程。他们构建了微小的“多足体”——由钴和镍硫化物组成的星状颗粒，并在合成过程中略微加入少量锡来改变其结构。加入锡会扰动晶体生长，产生一种奇特的混合结构：有序排列的晶体区与无序排列的无定形区相互交织。这些多足体生长在一种称为MXene的导电薄片上，后者既作为支架也为电子提供通路。

混合结构如何加速并调控反应

通过先进显微镜和光谱工具的表征，团队证明了多足体确实将有序与无序区域交织在一起。有序部分为电子提供了快速通道，而无序部分提供了大量“停靠位”，可使钠多硫化物吸附并发生反应。锡引入的结构还改变了钴和镍原子的电子环境，产生更多的硫空位并增强它们与多硫化物的结合。计算机模拟支持这些结论，显示关键反应步骤——尤其是短链硫物向最终固态产物的转化——在这种混合材料上的能垒低于完全晶体材料，这意味着过程可以更快、更顺畅地进行。

从冰点到高温的性能验证

为验证该设计在实际电池中的效果，研究者用含硫的多足体催化剂组装了钠–硫电池。在室温下，这些电池表现出极高的容量并在一千多次充放电循环中保持良好，仅有极小的容量损失。在–20 °C 时，通常钠–硫电池会因化学过程变慢而性能下降，但新电池在高要求的电流下仍能提供强劲容量并保持循环稳定。在50 °C 时，溶解的多硫化物通常会大量产生并损害电池，但这些电池在数百次循环后仍保留大部分容量。电阻和离子传输的测量表明混合结构即便在低温下也能维持快速反应，而吸附测试显示其能有效捕获并固定多硫化物，抑制在高温下导致性能流失的内部“穿梭”效应。

这对未来能量存储意味着什么

通俗地说，该研究展示了一种使钠–硫电池既高能又耐用（无论季节如何）的聪明方法。通过在微小催化颗粒内将有序与无序区域交织并细调局部原子环境，研究者降低了阻碍电池反应的能垒，并捕获了通常引发问题的中间物种。这种在材料内部工程化界面的方法可推广到多种电池体系，为更便宜、高容量且能在寒冬与酷暑中可靠支持可再生能源电网的储能技术提供了一条可行路径。

引用: Xiao, T., Fang, Z., Ran, N. et al. Amorphous/crystalline interwoven multipods with high Co/Ni activity for wide-temperature-range sodium-sulfur batteries. Nat Commun 17, 2333 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69749-7

关键词: 钠–硫电池, 能量存储, 电池催化剂, 宽温域运行, 无定形–晶体界面