以硫?yàn)檎龢O、鈉為負(fù)極構(gòu)建的鈉硫電池具有能量密度高，成本低等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是大規(guī)模儲(chǔ)能的強(qiáng)有力的候選方式之一。目前，高溫鈉硫電池已被應(yīng)用于電化學(xué)儲(chǔ)能。高溫鈉硫電池由熔融電極和β-Al2O3固體電解質(zhì)組成，負(fù)極的活性物質(zhì)為熔融金屬鈉，正極活性物質(zhì)為液態(tài)硫和多硫化鈉熔鹽。為了保證鈉硫電池的正常運(yùn)行，鈉硫電池的運(yùn)行溫度需要一直保持在300～350°C，這個(gè)運(yùn)行溫度使鈉硫電池安全性大幅降低，電解質(zhì)的任何微小破損，都會(huì)造成災(zāi)難性的后果。近年來以硫化物為基體的室溫鈉離子固態(tài)電解質(zhì)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，使得構(gòu)建室溫鈉硫全固態(tài)電池成為可能。傳統(tǒng)的硫系全固態(tài)電池是通過冷壓方式制備，但是冷壓方式制備的電池極易產(chǎn)生應(yīng)力集中，并且在之后的充放電期間的巨大體積變化會(huì)進(jìn)一步加劇應(yīng)力的集中，使得材料易粉碎和聚集。與液態(tài)電解質(zhì)的良好的浸潤(rùn)性不同，全固態(tài)電池中任何材料粉化引起的非良好的接觸現(xiàn)象都會(huì)導(dǎo)致電池循環(huán)性能的急劇衰退。為了減輕這個(gè)問題，通常將材料粒徑減小到納米尺度，或在測(cè)試時(shí)施加較大的壓力以確保其良好接觸。但即便如此，室溫全固態(tài)鈉硫電池的循環(huán)性能、充放電可逆容量依然遠(yuǎn)低于液態(tài)電池。最近，借鑒成熟的結(jié)構(gòu)材料的制備方法，馬里蘭大學(xué)的王春生教授課題組通過高溫澆筑-低溫退火法成功合成了Na2S/Na3PS4/C復(fù)合材料。當(dāng)其用于鈉硫全固態(tài)電池正極時(shí)，表現(xiàn)出優(yōu)異的動(dòng)力學(xué)性能和良好的循環(huán)性能。在傳統(tǒng)的全固態(tài)鈉硫電池中，活性物質(zhì)和固態(tài)電解質(zhì)的接觸是通過冷壓形成的，一般為點(diǎn)接觸，因此其界面阻抗非常大。而此種澆筑-退火方法原位生成的Na2S/Na3PS4/C復(fù)合材料有效的將活性物質(zhì)和固態(tài)電解質(zhì)的接觸轉(zhuǎn)換為面接觸，因此大幅降低了其界面阻抗。另外原位沉積出的Na2S為放電態(tài)的材料，在之后的循環(huán)過程中不會(huì)產(chǎn)生因體積膨脹造成的應(yīng)力。該文章發(fā)表在國際知名期刊ACSNano上。

實(shí)驗(yàn)以Na2S，P2S5，CMK3介孔碳為原料，首先在手套箱中將三者按照一定的比例混合均勻。之后轉(zhuǎn)移至石墨坩堝中，將石墨坩堝真空密封于石英管中，通過高溫煅燒、急劇降溫驟冷，之后再在270°C熱處理得到Na2S/Na3PS4/C復(fù)合材料。

澆筑-退火法制備的Na2S/Na3PS4/C復(fù)合材料作為全固態(tài)鈉硫電池的正極材料表現(xiàn)出良好的電化學(xué)性能。在0.5V-3.0V的充放電電壓區(qū)間，在50mA/g的充放電電流密度下，復(fù)合材料具有800mAh/g的可逆比容量;同時(shí)材料具有非常好的循環(huán)穩(wěn)定性，經(jīng)過50循環(huán)周期后，全固態(tài)鈉硫電池依然能保持650mAh/g的可逆充放電容量。作為對(duì)比，普通球磨法制備的復(fù)合材料，其可逆容量?jī)H為100mAh/g.另外由于澆筑-退火法制備的Na2S/Na3PS4/C復(fù)合材料大幅降低了界面阻抗，其充放電的電壓滯后也大幅降低。與液態(tài)電解液相比，全固態(tài)電池完全消除了多硫化物的穿梭效應(yīng)，故其可逆庫倫效率接近100%。

作者同時(shí)對(duì)比測(cè)試了不同制備條件下的全固態(tài)電池的倍率性能和阻抗性能來進(jìn)一步研究其儲(chǔ)能機(jī)理，并給出其表現(xiàn)出優(yōu)異電化學(xué)性能的可能原因:(1)原位生成的納米復(fù)合結(jié)構(gòu)可有效降低Na+在脫嵌過程中產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力，從而有效保護(hù)電極的結(jié)構(gòu)完整性并縮短了離子擴(kuò)散距離;(2)澆筑-退火熱處理消除了復(fù)合材料的應(yīng)力;(3)初始材料為放電態(tài)復(fù)合物可以減輕循環(huán)期間的體積變化以確保結(jié)構(gòu)的完整性。該研究成果對(duì)于開發(fā)高能量密度的鈉硫全固態(tài)電池具有重要的參考價(jià)值。