科学家制备新型非晶纳米片，能有效吸附和催化多硫，极大改善室温钠硫电池的电化学性能

假如用一棵树的成长来比喻一个人的成长，那么作为复旦大学材料科学系的一名 90 后研究员，赵婕的成长是“种子、空气、阳光”的绝佳组合。

图 | 赵婕（来源：赵婕）

其本科和博士先后毕业于浙江大学和美国斯坦福大学，博士导师是美国科学院院士崔屹。

毕业后，她又在美国西北大学的约翰·罗杰斯（John A. Rogers）课题组进行博士后研究。

后来，她入选国家级海外人才引进项目（青年），并于 2020 年加入复旦大学材料科学系。目前，她主要致力于开展高丰度高比能电池相关的研究。

前不久，她联合清华大学深圳国际研究生院的周光敏教授和三峡大学的贾彬彬教授制备出一种非晶二维铁锡氧化物纳米片材料，并将其作为室温钠硫电池聚烯烃隔膜的功能修饰层。

（来源：Angewandte Chemie International Edition）

电化学性能测试和密度泛函数理论计算证明：锡元素的引入，提高了非晶氧化物纳米片的氧空位浓度。

同时，也能显著提高材料与多硫化物的结合能，降低多硫化物转化反应的能垒，进而提高整体的反应动力学。

对于常见的二维材料来说，它们往往在隔膜表面形成致密的堆叠，进而阻碍了钠离子的正常迁移。

但是，本研究制备的非晶铁锡氧化物纳米片，有着大量的纳米穿孔，不仅有助于钠离子在电池运行过程中实现有效的迁移，也能规范钠离子的均匀沉积。

目前，室温钠硫电池通常采用玻纤隔膜，它的厚度一般在 300 多微米，并需要大量地攫取电解液。

而本研究采用修饰后的商业化聚丙烯隔膜，修饰层只需 200 纳米的厚度，就能极大地改善室温钠硫电池的电化学性能，从而提升该类电池的能量密度和功率密度，实现电池的稳定运行。

同时，他们通过引入少量的晶体过渡金属碳化物材料，与非晶铁锡氧化物材料结合，成功构筑了非晶/晶体的仿生界面。这种界面极大提高了隔膜整体的机械性能。因此，其杨氏模量高达 4.9 GPa，能够有效地抑制枝晶生长。

（来源：Angewandte Chemie International Edition）

由此可见，使用多功能隔膜的室温钠硫电池，具备优异的电化学性能，能带来实际的商业化应用前景。

室温钠硫电池的理论能量密度较高，而且钠和硫资源储备丰富、原材料价格低廉，因此有望用于大规模的储能系统之中。

如何实现高性能的室温钠硫电池？

电池材料类的课题有很多，该团队缘何选择了这一方向？

据介绍，目前地球上的锂资源的储量无法满足未来大规模的储能需求，因此需要一些新的可行性储能体系。

钠和硫元素的储量丰富，原材料成本也比较低廉。而且，室温钠硫电池的能量密度是目前商业化的锂离子电池的 3-5 倍，因此非常适合用于规模化的储能系统之中。

室温钠硫电池的研究困境与锂硫电池有一定的相似性，但是问题更加突出。对于室温钠硫电池来说，缓慢的硫还原反应动力学、多硫化物的穿梭、以及金属负极的枝晶生长是它面临的主要问题。

尽管最近几年已经涌现大量的研究成果，但是此前的手段主要集中在硫正极的结构和催化剂的设计，忽视了体系内存在的其他问题。

隔膜，作为电池中能同时直接接触正极和负极的组分，对于电池电化学性能的影响十分重要。

目前，锂硫电池中常见的聚烯烃隔膜，由于其与酯类电解液存在较差的浸润性，因此无法直接适用于室温钠硫电池体系。

在已有的室温钠硫电池报道中，研究人员大多采用玻璃纤维隔膜。此前，已有少量研究通过对玻璃纤维隔膜进行改性或修饰功能材料，来加快硫还原反应速率，进而提升室温钠硫电池的整体性能。

但是，玻璃纤维隔膜的厚度大约为 300 微米，孔径尺寸也在微米级，并具有极高的电解液用量需求，严重降低了室温钠硫电池的实际质量和体积能量密度，并提高了枝晶生长诱发电池短路的风险。而且，玻璃纤维隔膜较差的机械性能，也不利于电池的大规模生产应用。

因此，部分业内人士专注于探索针对聚烯烃隔膜进行修饰改性后的应用。而修饰材料主要集中在过渡金属碳或过渡金属氮化物上。虽然已经取得一定的成效，但是这些功能修饰层厚度通常在 3-10 微米，严重阻碍了离子的迁移。

因此，亟需开发对于多硫化物兼具高吸附性和高催化性的新型材料。只有这样，将其修饰在隔膜表面才能实现室温钠硫电池的高性能。

而如何通过打造一种简便的手段，同时解决电池运行过程中内部正负极间的串扰问题，也是本次研究的出发点。

非晶二维材料缘何这么“优秀”？

要想实现上述目标，非晶二维材料是一个理想的选择。

原因在于：凭借较高的比表面积和纵横比，二维材料能够有效地覆盖隔膜。

此外，过往的诸多研究表明，在晶体材料中引入缺陷和不饱和位点，能够加速多硫化物的转化反应。而非晶化——是引入缺陷的一个强有力手段。非晶材料本征无序的特性，会带来大量的缺陷和催化活性位点，不仅能改善材料的电导率，也能对多硫化物实现有效的吸附和催化。

同时，非晶材料内部没有晶界和位错缺陷，可以显著提高材料的机械性能，抵御外力带来的灾难性的形变破坏。当作为功能修饰层时，能有效提高隔膜的整体机械性能，抑制钠枝晶的生长。

基于此，非晶二维材料非常适合作为室温钠硫电池的隔膜修饰材料。

而在本次课题的前期调研和试错过程中，锂和钠不同的物理化学性质，使得基于两者的相似体系展现出许多不同特性。反馈到电化学层面，则导致了性能上的千差万别。

为了厘清二者的区别、以及在室温钠硫电池中验证锂硫电池中的解决方法，他们开展了为期三年之久的尝试，中间一度陷入停滞状态，参与的同学也很灰心。

但是，经过不断的试错和调整，他们终于厘清钠硫电池中的诸多差异。

日前，相关论文以《具有多级次空位的非晶铁锡氧纳米片用于室温钠硫电池》（Amorphous FeSnOx Nanosheets with Hierarchical Vacancies for Room-Temperature Sodium-Sulfur Batteries）为题发表在 Angewandte Chemie International Edition[1]。

复旦大学的孙武和侯俊宇是第一作者，赵婕、清华大学深圳国际研究生院的周光敏教授、以及三峡大学的贾彬彬教授担任共同通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Angewandte Chemie International Edition）

后续，他们会继续开展室温钠硫电池的相关研究，从电池体系内部的诸多重要组分比如正极、电解液和隔膜出发进行改性研究。

并将这些手段在体系内部加以协同应用，探寻不同改性方法之间可能存在的相互干扰问题，以期实现室温钠硫电池的商业化。

并打算通过 AI 进行高通量运算，来帮助筛选对于多硫化物具有高效催化能力的材料，进而用于设计更加合适的催化剂。

赵婕补充称：“我们课题组已经建立成熟的电化学与化学合成实验平台，能够顺利开展新能源相关研究，亦能满足材料表征和器件制备要求。”

“组里经费充裕，目前已成功支持组内博士后申请和获批各级超级博士后项目、以及国家博士后科学基金特别资助和博士后面上项目，并与国内外知名团队建立了紧密联系。”她继续说道。

“因此，我们非常愿意为优秀的博士后和学生提供合作机会或深造机会。出站后，也会全力支持优秀博士后申报复旦大学项目制研究人员、青年（副）研究员或其他高校教职。”其最后表示。