在“碳中和”的背景下，以风电、光伏为代表的可再生能源已成为清洁发电的核心。然而，其固有的间歇性、波动性、随机性是目前制约稳定并网供电的瓶颈，因此迫切需要开发低成本、大规模储能技术。锂离子电池虽已应用于电网储能示范，但受限于全球锂资源的储量有限且分布不均，难以支撑未来电网级储能的巨大需求。钠硫电池以地壳中储量丰富的钠和硫为活性材料，具有成本低、理论能量密度高等突出优势，被认为是有潜力的下一代电网储能技术。
然而，室温钠硫电池的发展长期受制于三大难题：①正极侧：硫及其放电产物导电性差，导致反应动力学缓慢；可溶性的多硫化物易穿梭，造成活性物质损失和容量快速衰减。②负极侧：钠金属不均匀沉积会形成枝晶，可能刺穿隔膜导致电池短路，带来严重安全隐患。③体积变化：硫在充放电过程中巨大的体积膨胀易破坏电极结构完整性，导致电池失效。
针对上述难题，太阳成集团122ccvip研究团队研发了一种双功能碳宿主材料Ni-NC。该材料以氮掺杂多孔碳为骨架，通过精确调控，同时锚定原子级分散的镍单原子和镍团簇，构建了独特的“单原子-团簇”接力催化体系。将其用于室温钠硫电池，在容量、倍率和循环寿命方面均表现较好，展现出在大规模储能领域的应用潜力。
Ni-NC的设计制备
该研究依托团队长期从事的热裂解制碳技术，采用锌辅助热裂解法，以低成本、可回收的锌粉和氯化锌为造孔剂，构建了具有高比表面积（超过1900m2/g）和丰富微孔的氮掺杂多孔碳骨架（NC，图1）。该三维连通的多孔网络不仅为电子/离子传输提供了“高速公路”，也为硫的负载和充放电过程中的体积变化提供了充足的缓冲空间。借助球差校正电镜和X射线吸收光谱等先进表征技术，研究证实了材料中同时存在Ni单原子和Ni团簇，二者在多孔碳骨架上均匀分布（图2）。
图1. Ni-NC的合成方案、结构与形貌。a) 合成示意图。b-d) Ni-NC的SEM图像。e) Ni-NC的TEM图像。f) NC、Ni-NC和S/Ni-NC的氮气吸脱附等温线及孔径分布。g) Ni-NC的EDS元素分布图。h) Ni-NC的AC-HAADF-STEM图像。i) 对(h)中选定区域进行3D原子重叠高斯函数拟合的分布图。
图2. Ni-NC的结构分析。a,b) N 1s和Ni 2p的XPS谱图。c,d) XANES谱和FT-EXAFS图。e-g) 小波变换EXAFS图。h) EXAFS拟合谱及Ni-NC构型示意图。i) 拉曼光谱。
Ni-NC用于钠硫电池的正极和负极
将Ni-NC用作硫正极载体，其展现出对多硫化物的强吸附与高效催化转化能力。原位紫外光谱和H型电池等实验证明，它能有效抑制多硫化物的穿梭效应（图3）。为了深入理解性能提升的内因，团队通过密度泛函理论（DFT）计算研究了镍单原子与团簇之间的协同机制：Ni团簇擅长催化转化长链多硫化物，并展现出更强的吸附能。Ni单原子则对短链多硫化物的转化更为有效。当二者共存时，形成了高效的“接力催化”路径，加速了多硫化物的转化动力学，降低了反应能垒，从而提升了硫利用率和循环稳定性（图4）。
将Ni-NC用作为钠金属负极基底时，能诱导钠金属实现均匀、无枝晶的沉积。电池测试表明，Na/Ni-NC电极展现出较低的成核过电位（仅14.2mV）和较好的循环稳定性（超过1000小时），性能远超铜箔对比样品（图5）。
图3. S/Ni-NC正极的电化学分析。a,b) S/Ni-NC与S/NC的CV曲线等高线图。c,d) S/Ni-NC在放电和充电过程中的原位拉曼光谱。e-h) S/Ni-NC与S/NC在放电过程中电解液的原位紫外-可见光谱。i) 不同温度下的奈奎斯特图。j) Rct与温度的关联图。k) 塔菲尔图。l,m) 放电和充电过程的Na+化学扩散系数。
图4. 不同构型的催化转化机制分析。a) 态密度。b) 硫还原反应（SRR）过程的吉布斯自由能图。c) Na2S6在各构型上的吸附能。d) Na2S6在各构型上的差分电荷密度图。e) 耦合镍单原子和团簇实现多硫化物串联转化的机制示意图。f) Na2S分解的能垒。
图5. Na/Ni-NC负极的电化学分析。a) 库伦效率。b) 电压曲线。c) 电压-时间曲线。d) 倍率性能。e) 长循环寿命。f) 奈奎斯特图。g) 钠金属沉积行为示意图。
钠硫全电池演示
研究团队基于Ni-NC分别构建了正负极，并组装钠硫全电池。该电池在0.1C倍率下的比容量达1255mAh/g（归一化到正极活性物质），在5C倍率下保持有580mAh/g，显示出较好的快充放能力。在2C的倍率下循环3000次后，容量保持率达85.4%。即使在高硫载量和贫电解液条件下，电池依然表现出较好的循环稳定性，展现了其潜在的应用前景（图6）。
图6. Na/Ni-NC || S/Ni-NC全电池的性能。a) 组装的全电池示意图。b) 倍率性能。c) 长循环寿命。d) 不同硫载量正极的性能对比。e,f) 软包电池的恒电流充放电曲线及循环性能。g) 与相关研究报告的比较。
研究总结
本研究成功研制了一种基于镍单原子与团簇的双功能碳材料，提升了室温钠硫电池的综合性能。为下一代高能量密度、长寿命的金属-硫电池及其他转化型电池的设计提供了新思路，而且所使用的低成本生物质碳源和可循环锌模板，也为未来产业化应用提供了成本优势。
相关研究工作以“Tandem Conversion of Polysulfides via Coupling Ni Single-Atoms and Clusters for Na-S Batteries”为题，于2025年11月11日发表于Advanced Materials。研究工作得到了国家自然科学基金、关键地球物质循环前沿科学中心、江苏省自然科学基金、江苏省重点研发计划、江苏省研究生科研与实践创新计划等项目的资助。太阳成集团122ccvip王学斌教授为论文通讯作者，太阳成集团122ccvip助理研究员曾晋珏、博士生王涛、孙志鹏为共同第一作者。
文章链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202516313
