Nature | 突破！戴宏杰院士填补50多年的领域空白

锂离子电池 (LIB) 广泛用于从电动汽车到可穿戴设备的各种应用。在LIBs 发明之前，1970 年代开发了锂亚硫酰氯 (Li-SOCl2) 电池，使用 SOCl2 作为阴极电解质，锂金属作为阳极，无定形碳作为阴极。这种电池通过锂氧化和阴极电解液还原为硫、二氧化硫和氯化锂放电，以其高能量密度而闻名，广泛用于实际应用；然而，自从它发明以来，它一直没有被制成可充电的。

2021年8月25日，斯坦福大学戴宏杰团队在Nature 在线发表题为“Rechargeable Na/Cl2 and Li/Cl2 batteries”的研究论文，该研究展示了使用高微孔碳正极、由氯化铝和氟化物添加剂组成的 SOCl2 起始电解质，以及钠或锂作为负极，可以生产可充电的 Na/Cl2 或 Li/Cl2 电池。

以可充电Na/Cl2 电池为例，电池的首次放电容量约为 2,800 mAh g−1，平均放电电压约为 3.2 V。Na/Cl2 电池可以在 3.5 V 放电电压平台下可逆循环200圈，提供高达 1,200 mAh g-1 的容量，且库仑效率和能量效率分别大于 99% 和大于 90%！从性能上看，可充电Na/Cl2 和Li/Cl2电池的放电平台和容量分别媲美和远超现有的锂离子电池，有望成为下一代高比能量电池的理想候选者。

总之，该研究首次报道了一种可充电的钠-氯气（Na/Cl2）和锂-氯气（Li/Cl2）电池，一举填补了SOCl2基可充电Li和Na电池领域50多年的空白！

设计具有高重量、体积和面积容量以及高能量密度的新电池概念对于满足社会对储能不断增长的需求非常重要。已开发出不同的可充电电池，包括锂离子电池 (LIB)、钠离子电池 (SIB) 和铝离子电池 (AIB)。主要的锂亚硫酰氯 (Li-SOCl2) 电池以其高能量密度和广泛用于专业电子、军事、公用事业计量和 GPS 跟踪应用而闻名，但缺乏可充电性。

电池通过锂阳极氧化和阴极电解液 SOCl2 还原为硫 (S)、二氧化硫 (SO2) 和氯离子 (Cl−)进行一次放电。Cl− 离子与从锂负极剥离的 Li+ 反应，形成沉积在碳表面上的 LiCl，直至钝化。这种原电池在一次放电中可提供约 2,300 mAh g-1 的高比容量和高达 710 Wh kg-1 的高能量密度。由于钠的标准电极电位低（仅比锂高约 0.34 V）、低得多的价格和高能量密度电池的同等前景，钠（Na）电池已被积极寻求作为锂电池的替代品。

在这里，该研究报告了使用无定形碳纳米球 (aCNS) 作为阴极和 SOCl2 中的氯化铝 (AlCl3) 作为起始电解质中的主要成分的 Na/Cl2 电池。电池在 3.5V 放电电压和高达 1,200 mAh g-1 容量下运行/循环超过 200 次，库仑效率和能量效率分别大于 99% 和大于 90%。电池的首次放电容量约为 2,800 mAh g−1，平均放电电压约为 3.2 V。

出乎意料的是，电池可以在 1,200 mAh g−1 的特定容量下进行可逆循环，放电电压为约 3.55 V，平均库仑效率大于 99%。发现正极侧的碳微结构和钠上的氟化物掺杂的 NaCl 固体电解质界面 (SEI) 对随后的可逆电池循环至关重要，NaCl 和 Cl2 之间的氧化还原反应作为主要反应，有助于主要可逆容量电池的。同样的概念也适合可充电的 Li/Cl2 电池。

总之，该研究首次报道了一种可充电的钠-氯气（Na/Cl2）和锂-氯气（Li/Cl2）电池，一举填补了SOCl2基可充电Li和Na电池领域50多年的空白！

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