近日，上海交通大學(xué)變革性分子前沿科學(xué)中心長聘教軌副教授、呂志和科學(xué)園入駐科學(xué)家孫浩團(tuán)隊在《Nature》在線發(fā)表題為“High-voltage anode-free sodium-sulfur batteries”的研究論文。團(tuán)隊成功研發(fā)了高電壓、無負(fù)極鈉硫電池新體系，創(chuàng)新了傳統(tǒng)堿金屬-硫電池的反應(yīng)路徑與結(jié)構(gòu)設(shè)計。這項成果不僅實現(xiàn)了從低價態(tài)還原到高價態(tài)氧化的反應(yīng)路徑，更有望解決傳統(tǒng)鈉硫電池電壓低、安全性差的難題。上海交通大學(xué)博士生耿世濤以第一作者身份，參與了這項創(chuàng)新成果的研發(fā)。

耿世濤

變革性分子前沿科學(xué)中心2022級博士生（學(xué)籍：化學(xué)化工學(xué)院，張江高等研究院屬地化管理學(xué)生），師從變革性分子前沿科學(xué)中心長聘教軌副教授、呂志和科學(xué)園入駐科學(xué)家孫浩。博士期間研究方向聚焦于低成本、可持續(xù)的硫氯電池體系。其參與的研究成果發(fā)表于國際頂級學(xué)術(shù)期刊 Nature，論文報道了一種高電壓無負(fù)極鈉–硫電池新體系，通過引入高價態(tài)硫（S0/S4+）的可逆氧化還原反應(yīng)，并結(jié)合新型含氯電解液設(shè)計，在無需預(yù)置金屬鈉負(fù)極的條件下實現(xiàn)穩(wěn)定循環(huán)，為發(fā)展低成本、高能量密度儲能技術(shù)提供了新的研究思路。此外，他還以第一作者或共同第一作者身份在 Nature Communications 等期刊發(fā)表多篇研究論文。

從前沿問題出發(fā)，而不是從結(jié)果開始

耿世濤的博士研究方向聚焦于低成本、可持續(xù)的硫氯電池體系。在他看來，科研的起點并不在于某一次性能提升，而在于對領(lǐng)域核心問題的持續(xù)追問。長期以來，鈉–硫電池體系因反應(yīng)路徑受限、體系穩(wěn)定性不足等問題，始終在電壓和安全性上面臨挑戰(zhàn)。若沿用既有思路推進(jìn)，研究很容易陷入性能優(yōu)化的“局部改進(jìn)”，卻難以推動體系層面的演進(jìn)。

正是在這樣的背景下，團(tuán)隊開始重新審視硫在電化學(xué)反應(yīng)中的角色?；诖饲霸邴u族元素氧化還原體系中的研究積累，研究人員逐漸萌生出一個大膽的設(shè)想：是否有可能跳出傳統(tǒng)低價態(tài)硫的反應(yīng)框架，探索硫在更高價態(tài)下的可逆反應(yīng)行為？這一問題，成為后續(xù)研究的重要起點。

實驗室團(tuán)隊合影

在判斷、分歧與失敗中逼近答案

論文中提出的高價態(tài)硫（S0/S4+）可逆反應(yīng)路徑，并非一開始就被視為“穩(wěn)妥選擇”。在最初的探索階段，團(tuán)隊也曾擔(dān)憂該路徑在動力學(xué)過程和循環(huán)穩(wěn)定性方面面臨巨大挑戰(zhàn)。圍繞反應(yīng)機(jī)理、界面行為及體系可行性，團(tuán)隊多次展開深入討論，并系統(tǒng)設(shè)計了大量預(yù)研實驗加以驗證。

研究的關(guān)鍵轉(zhuǎn)折，出現(xiàn)在對含氯電解液組分進(jìn)行重新設(shè)計之后。實驗中，研究人員首次觀察到單質(zhì)硫在高價態(tài)下呈現(xiàn)出較為清晰的可逆充放電行為。這一現(xiàn)象此前從未在傳統(tǒng)鈉–硫電池體系中被報道，也讓團(tuán)隊意識到，這或許并非一次偶然結(jié)果。與此同時，團(tuán)隊進(jìn)一步將研究推進(jìn)至“無負(fù)極”電池架構(gòu)。相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，無負(fù)極鈉–硫電池?zé)o需預(yù)置金屬鈉負(fù)極，而是在充電過程中依賴電解液中鈉離子的原位沉積，在材料利用率和能量密度上具有顯著優(yōu)勢。但正因如此，體系對界面穩(wěn)定性和反應(yīng)可控性的要求也更為嚴(yán)苛。如何高效利用生成的金屬鈉，同時抑制含氯電解液對關(guān)鍵界面的腐蝕行為，成為研究中最具挑戰(zhàn)性的難題。

基于高價態(tài)硫氧化還原反應(yīng)的高電壓、無負(fù)極鈉硫電池

真正讓團(tuán)隊建立起信心的，并非單一性能指標(biāo)的提升，而是一整套相互印證的證據(jù)鏈。通過原位拉曼光譜，研究人員直接捕捉到硫正極在循環(huán)過程中的高價態(tài)可逆轉(zhuǎn)化；結(jié)合 X 射線光電子能譜分析，在負(fù)極側(cè)觀察到富含氮化物的穩(wěn)定無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)界面（SEI）形成。這些微觀結(jié)構(gòu)與化學(xué)狀態(tài)的直接證據(jù)，與體系在循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能上的優(yōu)異表現(xiàn)形成邏輯閉環(huán)，從機(jī)理層面驗證了該體系的可靠性與可重復(fù)性。

在協(xié)作中完成研究，在反思中理解科研

作為一項高度協(xié)作的成果，這篇Nature論文的完成離不開團(tuán)隊的緊密配合。耿世濤在研究中主要負(fù)責(zé)整體實驗方案設(shè)計、電化學(xué)性能測試、電池關(guān)鍵性能表征以及論文初稿撰寫，與孫浩老師共同制定了詳細(xì)的研究計劃，并負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各實驗?zāi)K的進(jìn)度安排，同時及時對階段性實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總與分析。另一位第一作者袁斌及課題組多位成員，也在電池性能系統(tǒng)性表征、材料制備與多維度表征測試中作出了重要貢獻(xiàn)。

在耿世濤看來，高水平科研合作并非簡單的分工執(zhí)行，而是建立在充分溝通與反復(fù)驗證基礎(chǔ)上的共同判斷?！?strong>分歧在研究中是常態(tài)，但真正重要的是回到數(shù)據(jù)本身，通過實驗去回答問題。”正是在這樣的協(xié)作機(jī)制下，研究思路得以不斷修正、深化。

孫浩團(tuán)隊

回顧這項研究經(jīng)歷，他對“什么是好研究”也有了更深的理解。在他看來，真正有價值的研究，應(yīng)當(dāng)直面領(lǐng)域最關(guān)鍵的科學(xué)問題，具備源頭性的創(chuàng)新，同時能夠為后續(xù)研究提供啟發(fā)性的方向。相比單一的性能突破，對反應(yīng)機(jī)制和失效行為的深入理解，往往更具長期意義?！昂芏鄷r候，看似不理想的實驗結(jié)果，反而隱藏著最重要的信息?！惫⑹罎J(rèn)為，學(xué)會分析失敗、與失敗對話，是科研過程中不可或缺的一部分。未來，他希望繼續(xù)圍繞硫基電池體系展開深入研究，在安全性、穩(wěn)定性與應(yīng)用潛力等方面持續(xù)探索，為新型儲能技術(shù)的發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

文稿 | 洪瑀晴、耿世濤

編輯 | 李婧貤

責(zé)任編輯 | 鄭雨涵