【文章信息】
中间层设计缓解化学–机械疲劳劣化，构筑长寿命钠硫电池
第一作者：时田沙
通讯作者：宁晓辉*
单位：西安交通大学
【研究背景】
钠硫电池电化学反应具有独特性质，锂硫电池以阴离子氧化还原反应为主，存在多硫化物溶解度高、电极体积膨胀剧烈等问题，而钠硫电池则属于阴阳离子混合氧化还原体系，在常用的碳酸酯电解液中，钠基多硫化物溶解度显著低于锂基多硫化物；电池循环过程中的体积变化主要集中在碳基体等导电网络区域，不会像锂硫电池那样因多硫化物长距离溶解再沉积引发大范围体积变动，硫物质无法完全溶解迁移，电极仅在固定结构内反复局部胀缩，长期循环后形变难以恢复至初始形态，内部不断产生孔隙、裂纹并滞留气体与电解液，造成电极结构松散、结构完整性下降。虽然钠硫电池多硫化物溶解程度低于锂硫电池，但少量溶解仍会造成活性物质从导电基底脱落破碎，导电连接缺失加上化学机械应力累积，逐步破坏粘结剂构建的导电网络，这种化学反应与机械形变协同引发的电极不可逆结构损伤即为化学–机械疲劳劣化机制（CFD），最终造成电池性能衰退与失效。为缓解该劣化现象、提升钠硫电池循环寿命，本研究在正极与电解液界面处引入机械性能优异且离子导电能力良好的NZSP中间层，该中间层可对柔性硫正极形成机械约束，有效抑制电极体积形变，同时能够依靠化学亲和作用吸附多硫化物中间体，抑制其溶解并阻挡其向负极迁移，借助机械与化学双重调控稳固导电网络、减轻化学–机械疲劳，保障硫正极在长循环过程中的结构稳定和完整。
【文章简介】
近日，来自西安交通大学的宁晓辉教授，在国际知名期刊Energy Storage Materialss上发表题为“Interlayer Design Mitigates Chemomechanical Fatigue Degradation to Enable Long-lived Na–S Batteries”的文章。该文章分析了室温钠硫电池正极因反复体积波动和活性物质溶解而引发的化学–机械疲劳劣化问题，并阐述了通过引入NZSP中间层实现机械约束与化学锚定的双重调控，从而有效抑制该劣化、显著提升电池循环稳定性和倍率性能的研究进展。
图1. （a）钠硫电池中PC/S正极的化学–机械疲劳失效机理示意图；横轴为失效循环次数（疲劳寿命），纵轴代表正极机械应力；（b）NZSP中间层在钠硫电池中的作用机理
【本文要点】
要点一：促进多硫化钠均匀沉积
NZSP中间层呈现化学极性，故具备一定的化学吸附能力，能够在一定程度上锚定反应过程中生成的多硫化钠，促进导电性较差的固态放电产物的均匀沉积，防止其团聚，避免其大量聚集并堆积在电极界面造成孔道的堵塞，从而减小界面接触电阻和电荷转移电阻，促进钠离子的高效传输。同时该中间层可充当物理防护屏障，隔绝多硫化物与电解液直接接触，抑制副反应的发生，减少活性物质的溶解流失，从反应层面进一步提高电极内活性物质的利用率。
要点二：多孔碳提高硫正极导电性，缓解体积膨胀
硫活性物质均匀分散于多孔碳基体内部，相互连通的孔隙骨架可以搭建出完整连续的导电通路，可以提升硫正极整体的导电性，保障电化学反应快速平稳进行。微孔结构可以从一定程度上物理吸附和空间限域多硫化钠，减少副反应的发生，介孔结构在一定程度上能够缓解硫正极在循环过程中产生的体积膨胀，从而降低体积波动对电极骨架的破坏作用。
要点三：“刚柔并济”结构，维持2000圈长循环
柔性的碳硫复合正极作为活性物质层，刚性NZSP中间层则提供强有力的机械支撑，二者“刚柔并济”协同作用，限制电极颗粒位移、孔隙坍塌等问题，舒缓内部累积应力，有效抑制化学–机械疲劳劣化进程。NZSP中间层修饰的电极经过2000次长循环后依旧保持原始形貌与结构完整性，未改性电极早已出现严重粉化剥离并提前失效，该复合结构可以极大延长电池循环使用寿命。
要点四：空气稳定性、耐高温特性，抑制自放电，为实用性打下基础
在PC/S 电极界面引入NZSP中间层后，可有效抑制多硫化物的溶解和副反应，显著改善电池自放电行为。NZSP改性电池可在长时间保持开路电压稳定，容量无明显衰减。同时，NZSP中间层能够有效抑制高温下多硫化物与电解液的副反应，且自身具有稳定性，使电池在高温下依旧稳定运行；此外，改性电极经历长时间空气暴露后，形貌与物相结构均保持稳定，组装电池的电化学性能也无明显衰减。优异的环境耐受性、热稳定性与抗自放电能力，显著提升了电极的工况适应性与可靠性，这为室温钠硫电池的实际制备与规模化应用奠定了良好基础。
【文章链接】
Interlayer Design Mitigates Chemomechanical Fatigue Degradation to Enable Long-lived Na–S Batteries
https://doi.org/10.1016/j.ensm.2026.105241
【通讯作者简介】
宁晓辉教授，现任西安交通大学材料学院教授，博士生导师，主要研究方向为新型电力储能材料及器件研究。近年来，以第一作者/通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed., Energy Storage Materials, Nano Energy等国际知名期刊上发表论文50余篇，以第一发明人获得授权国家发明专利15项，其中9项国家发明专利获得了转化，合计转化金额300余万元。以第一完成人牵头编制了液态金属电池储能模组技术规范的行业标准。主持国家重点研发计划"智能电网技术与装备"重点专项课题，国家自然科学基金委重点项目子课题(2项),重大校企横向课题，国家自然科学基金面上项目(2项)，青年项目等10余项科研项目和课题。
