近日，上海交通大學(xué)變革性分子前沿科學(xué)中心長(zhǎng)聘教軌副教授、呂志和科學(xué)園入駐科學(xué)家孫浩團(tuán)隊(duì)在《Nature》在線發(fā)表題為“High-voltage anode-free sodium-sulfur batteries”的研究論文。團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)了高電壓、無(wú)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(jì)。這項(xiàng)成果不僅實(shí)現(xiàn)了從低價(jià)態(tài)還原到高價(jià)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(xiàng)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(jí)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(zhǎng)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(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊 Nature，論文報(bào)道了一種高電壓無(wú)負(fù)極鈉–硫電池新體系，通過(guò)引入高價(jià)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(jì)，在無(wú)需預(yù)置金屬鈉負(fù)極的條件下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定循環(huán)，為發(fā)展低成本、高能量密度儲(chǔ)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(wèn)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(lái)，科研的起點(diǎn)并不在于某一次性能提升，而在于對(duì)領(lǐng)域核心問(wèn)題的持續(xù)追問(wèn)。長(zhǎng)期以來(lái)，鈉–硫電池體系因反應(yīng)路徑受限、體系穩(wěn)定性不足等問(wèn)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(dòng)體系層面的演進(jìn)。

正是在這樣的背景下，團(tuán)隊(duì)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(gè)大膽的設(shè)想：是否有可能跳出傳統(tǒng)低價(jià)態(tài)硫的反應(yīng)框架，探索硫在更高價(jià)態(tài)下的可逆反應(yīng)行為？這一問(wèn)題，成為后續(xù)研究的重要起點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)合影

在判斷、分歧與失敗中逼近答案

論文中提出的高價(jià)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(duì)也曾擔(dān)憂該路徑在動(dòng)力學(xué)過(guò)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(duì)多次展開深入討論，并系統(tǒng)設(shè)計(jì)了大量預(yù)研實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。

研究的關(guān)鍵轉(zhuǎn)折，出現(xiàn)在對(duì)含氯電解液組分進(jìn)行重新設(shè)計(jì)之后。實(shí)驗(yàn)中，研究人員首次觀察到單質(zhì)硫在高價(jià)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(bào)道，也讓團(tuán)隊(duì)意識(shí)到，這或許并非一次偶然結(jié)果。與此同時(shí)，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將研究推進(jìn)至“無(wú)負(fù)極”電池架構(gòu)。相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，無(wú)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(guò)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(shì)。但正因如此，體系對(duì)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(shí)抑制含氯電解液對(duì)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(jià)態(tài)硫氧化還原反應(yīng)的高電壓、無(wú)負(fù)極鈉硫電池

真正讓團(tuán)隊(duì)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(guò)原位拉曼光譜，研究人員直接捕捉到硫正極在循環(huán)過(guò)程中的高價(jià)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(wú)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(yàn)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(xiàng)高度協(xié)作的成果，這篇Nature論文的完成離不開團(tuán)隊(duì)的緊密配合。耿世濤在研究中主要負(fù)責(zé)整體實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、電化學(xué)性能測(cè)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(jì)劃，并負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各實(shí)驗(yàn)?zāi)K的進(jìn)度安排，同時(shí)及時(shí)對(duì)階段性實(shí)驗(yàn)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(cè)試中作出了重要貢獻(xiàn)。

在耿世濤看來(lái)，高水平科研合作并非簡(jiǎn)單的分工執(zhí)行，而是建立在充分溝通與反復(fù)驗(yàn)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(guò)實(shí)驗(yàn)去回答問(wèn)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(duì)

回顧這項(xiàng)研究經(jīng)歷，他對(duì)“什么是好研究”也有了更深的理解。在他看來(lái)，真正有價(jià)值的研究，應(yīng)當(dāng)直面領(lǐng)域最關(guān)鍵的科學(xué)問(wèn)題，具備源頭性的創(chuàng)新，同時(shí)能夠?yàn)楹罄m(xù)研究提供啟發(fā)性的方向。相比單一的性能突破，對(duì)反應(yīng)機(jī)制和失效行為的深入理解，往往更具長(zhǎng)期意義?！昂芏鄷r(shí)候，看似不理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，反而隱藏著最重要的信息?！惫⑹罎J(rèn)為，學(xué)會(huì)分析失敗、與失敗對(duì)話，是科研過(guò)程中不可或缺的一部分。未來(lái)，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(chǔ)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