戴宏杰Nature：可充电的Na/Cl2和Li/Cl2电池

当前，锂离子电池(LIBs)已广泛应用于从电动汽车到可穿戴设备的各个领域。在二次锂离子电池发明之前，以SOCl₂为正极电解液、金属锂为负极、非晶碳为正极的一次锂-亚硫酰氯(Li-SOCl₂)电池于20世纪70年代问世。这种电池，通过锂氧化和正极还原放电生成硫、二氧化硫和氯化锂，以其高能量密度而闻名，并在实际应用中得到广泛应用；然而，自从它发明以来，就没有再充电过。

在此，来自美国斯坦福大学的戴宏杰等研究者，展示了一个高微孔碳正极，一种由氯化铝在SOCl₂中与氟基添加剂组成的起始电解质，以及钠或锂作为负极，从而形成可充电的Na/Cl₂或Li/Cl₂电池；该电池充电过程主要通过碳微孔中的Cl₂/Cl⁻氧化还原和钠或锂金属上的Na/Na⁺或Li/Li⁺氧化还原实现。相关论文以题为“Rechargeable Na/Cl₂ and Li/Cl₂ batteries”于2021年08月25日发表在Nature上。

设计具有高质量、高体积、高面积容量和高能量密度的新电池概念，是满足社会日益增长的储能需求的重要因素。时至今日，人们已经开发了众多不同的可充电电池，包括锂离子电池(LIBs)，钠离子电池(SIBs)和铝离子电池(AIBs)。初级锂-亚硫酰氯(Li-SOCl₂)电池，以其高能量密度和广泛应用于专业电子、军事、公用事业计量和GPS跟踪应用而闻名，但缺乏可充电性。电池通过锂负极氧化和正极SOCl₂还原为硫(S)，二氧化硫(SO₂)和氯离子(Cl^–)进行单次放电。Cl^–离子与从锂负极剥离的Li⁺反应，生成LiCl沉积在碳表面直至钝化。这种主电池，在一次放电中可提供约2300 mAh g⁻¹的高比容量和高达710 Wh kg⁻¹的高能量密度。

由于钠(Na)电池的标准电极电位较低(仅比锂高0.34 V)，而且价格更低，且在高能量密度电池方面也具有同样的前景，因此，钠(Na)电池一直被积极追求作为锂电池的替代品。但目前还没有钠-SOCl₂电池的报道，更不用说在基于SOCl₂电解质的可充电钠电池了。

在此，研究者报道了一种以非晶态碳纳米球(aCNS)为正极，以SOCl₂中的氯化铝(AlCl₃)为起始电解质的钠/Cl₂电池。电池在3.5 v放电电压下工作/循环，容量高达1200 mAh g⁻¹，循环超过200次以上，库仑效率大于99%，以及能量效率大于90%。该电池首次放电容量约2800 mAh g⁻¹，平均放电电压约3.2 V。令人惊讶的是，电池可以在1200 mAh g⁻¹的特定容量下进行可逆循环，放电电压约为3.55 V，平均库仑效率大于99%(高达1860 mAh g⁻¹的循环容量，库仑效率较低)。第一次放电导致aCNS正极上形成NaCl，类似于Li-SOCl₂电池中的LiCl。研究发现，电池正极碳的微观结构和钠表面的氟掺杂NaCl固体电解质界面(SEI)，对电池的后续可逆循环至关重要，而NaCl和Cl₂之间的氧化还原反应是电池主要的可逆反应。同样的概念，也适用于可充电的Li/Cl₂电池。