吉林大学&武汉大学&北京低碳清洁能源研究院EM发表文章:“一石二鸟”:再生废弃活性炭用于室温钠-硫电池中稳定多硫化物穿梭抑制

题目："One Stone-Two Birds": Reviving Waste-Activated Carbon for Stable Polysulfide Shuttle-free Room-Temperature Na-S Batteries

“一石二鸟”：再生废弃活性炭用于室温钠-硫电池中稳定多硫化物穿梭抑制

第一作者：董春伟

通讯作者：蒋青，蒲想俊，张楠楠

通讯单位：吉林大学，武汉大学，国家能源集团北京低碳清洁能源研究院

DOI：10.20517/energymater.2026.35

研究背景

室温钠-硫电池（RT Na-S）虽然能量密度高、成本低，但实际应用中面临一个“死穴”——多硫化物穿梭效应。充电过程中产生的可溶性多硫化物（如Na₂S_x）会穿过隔膜从正极跑到负极，导致活性物质流失、容量快速衰减。如何用低成本、可持续的方法堵住这个“漏洞”，是领域内的热点难题。

“一石二鸟”的设计思路

本研究提出：与其把工业废弃活性炭（WAC）填埋或焚烧，不如将其“复活”并氮掺杂（N-AC），然后涂覆在商用玻璃纤维隔膜上，制成功能化隔膜（GF@N-AC）。这一做法既能抑制穿梭效应，又能消纳废弃物，实现“一石二鸟”

图1 传统废弃活性炭处理方法与本研究所用策略的示意图对比

隔膜长什么样？

SEM显示，原始玻璃纤维隔膜布满大孔，多硫化物可以自由通过。而涂覆N-AC后，形成均匀多孔的涂层，同时隔膜仍保持柔韧性，弯折后无脱落。氮气吸脱附测试表明，N-AC的比表面积高达1303.9 m²/g，孔径集中在2.21 nm，为物理吸附提供了丰富位点。

图2 氮掺杂废弃活性炭（N-AC）及功能化玻璃纤维隔膜（GF@N-AC）的制备推导与物性表征(A)N-AC、GF@N-AC 与纯玻璃纤维隔膜（GF）的XRD图谱；(B)N-AC样品的氮气吸附-脱附等温曲线（插图为采用BJH模型计算得到的孔径分布）；(C)(D)分别为N-AC样品高分辨 XPS 谱图中C1s、N1s的分峰拟合图谱；(E)(F)分别为纯玻璃纤维隔膜的SEM形貌图、功能化改性隔膜的截面SEM形貌图。

凭什么能抓住多硫化物？

XPS分析显示，N-AC中含有大量含氮官能团：吡啶氮（41.1%）、吡咯氮（31.3%）、石墨氮（12.7%）等。这些氮位点就像“化学抓手”，能与多硫化物形成强相互作用。实验验证很直观：将N-AC加入Na₂S₆溶液中，6小时后上层溶液明显变澄清。

图4 实验结合DFT理论计算研究多硫化物吸附效应(A)空白电解液与添加N-AC电解液中的多硫化物吸附效果；(B)完整石墨烯，以及含石墨氮、吡啶氮、吡咯氮的缺陷石墨烯几何构型；(C)多硫化钠Na₂S_x(x=1、2、4、6)在吡啶氮掺杂石墨烯表面的吸附构型；原子配色标注：碳（灰色）、氮（蓝色）、硫（黄色）、钠（紫色）；(D) 对应各吸附构型的吸附能；(E)短链硫化钠Na₂S石墨烯体系的电荷密度差分图；其中黄色区域代表电荷聚集，蓝色区域代表电荷耗散；(F)纯石墨烯及石墨氮、吡啶氮、吡咯氮掺杂石墨烯的态密度（DOS）图谱。

DFT计算：从原子尺度揭示机理

为了研究吸附是怎么发生的，研究团队进行了密度泛函理论（DFT）计算。他们用掺杂了不同氮原子的石墨烯模型来模拟活性炭表面。结果发现：吡啶氮和吡咯氮掺杂后，对Na₂S、Na₂S₂、Na₂S₄、Na₂S₆的吸附能显著增强。以短链Na₂S为例，吸附能从-0.34 eV（原始石墨烯）降至-0.63 eV（吡咯氮掺杂）。电荷密度差图显示，电子从Na⁺向氮位点转移，形成牢固的配位键。态密度分析进一步证实，氮掺杂在费米能级附近引入更多电子态，有利于电化学反应。

隔膜效果怎么样？——H型电解池验证

用H型电解池做渗透实验：左侧放Na₂S₆溶液（黄色），右侧放纯溶剂，中间分别用原始GF隔膜和GF@N-AC隔膜隔开。12小时后，原始GF隔膜的右侧已明显变黄，说明多硫化物大量穿过；而GF@N-AC隔膜的右侧仍然澄清透明。说明功能隔膜确实能有效阻挡多硫化物。

电池性能：从数据看优势

将功能隔膜组装成钠-硫扣式电池，测试结果非常亮眼：

Ø 循环稳定性：0.1 C下，初始容量985.5 mAh/g，100圈后仍保持662.5 mAh/g；而使用原始GF隔膜的电池，10圈后容量就掉到285.6 mAh/g。

Ø 长循环寿命：0.5 C下，初始容量698.2 mAh/g，循环260圈后仍有545.4 mAh/g，每圈衰减仅0.08%，库仑效率接近100%。作为对比，大多数文献报道的衰减率在0.2%以上。

Ø 倍率性能：功能隔膜电池在0.5 C、1 C、2 C下分别可输出660.4、470.8、390.1 mAh/g，而原始GF隔膜超过0.5 C后就低于200 mAh/g。

实际演示：用该电池成功点亮了“NICE”字样的LED灯牌，展示出实用的储能能力。

图5 采用原始隔膜与功能化隔膜的钠硫电池电化学性能对比(A)搭载功能化隔膜的电池在0.1 C下的典型恒流充放电曲线（插图：0.1 mV/s 扫速、0.5–2.8 V电压区间内的循环伏安曲线）；(B)0.1 C下的主要循环稳定性对比；(C)倍率性能对比；(D)本工作提出的隔膜改性策略与已有文献策略的性能对比；(E)搭载功能化隔膜的室温钠硫电池在0.5 C下的长循环性能（插图：扣式电池点亮发光二极管实物图）。

循环后隔膜和负极长什么样？

拆解循环50次后的电池，发现原始GF隔膜表面粗糙，有电解液残留和碳黑沉积；而GF@N-AC隔膜涂层保持完整，无明显变化。EDS元素面扫进一步确认：原始GF隔膜上几乎没有硫信号，而功能隔膜上均匀分布着硫元素，说明多硫化物被有效吸附在了涂层中。对应的钠负极表面也截然不同：使用功能隔膜的负极表面光滑平整，而使用原始GF隔膜的负极表面粗糙、不平整。这些微观证据一致证明，功能隔膜成功抑制了穿梭效应。

图S16循环50次后GF隔膜（A）与GF@NAC隔膜（B）的SEM形貌图

图S17(A)初始GF隔膜的SEM形貌图；(B–G)基于SEM得到的初始GF隔膜EDS元素面分布图

图S18(A)GF@NAC功能化隔膜的 SEM 形貌图；(B–G)基于SEM得到的GF@NAC隔膜EDS元素面分布图

图S19分别与(A)GF隔膜、(B)GF@NAC隔膜配对使用并循环50次后的钠金属负极SEM形貌图

张楠楠

 国家能源集团北京低碳清洁能源研究院

张楠楠，2024年于清华大学化学系获理学博士学位，现任国家能源集团北京低碳清洁能源研究院工程师。从事理论与计算化学研究，主要研究方向包括电池材料设计、电催化反应机理等。发表论文8篇，申请发明专利4项，软件著作权2项。

蒲想俊

   武汉大学

蒲想俊，分别于2016年和2021年在武汉大学获得学士、博士学位（导师：曹余良教授、曹顺安教授、陈重学教授），期间曾赴美国马里兰大学王春生教授课题组联合培养15个月。曾于香港理工大学（合作导师：徐正龙副教授）从事博士后研究，后受聘于韩国首尔国立大学（合作导师：Kisuk Kang院士）担任Brain Pool高级研究员，拟聘为武汉大学副研究员。主要研究方向包括基础电化学原理和二次离子电池，已经以第一/共同通讯作者身份发表科技论文20篇，其中IF > 10论文13篇，总被引3400余次，相关成果发表于《Journal of the American Chemical Society》《Advanced Materials》《Angewandte Chemie International Edition》（2篇）、《Carbon Energy》、《Electrochemical Energy Reviews》、《Energy Storage Materials》等专业期刊；申请专利6项（中国专利5项、韩国及国际专利1项），并主持香港理工大学Joint Postdoctoral Scheme项目及韩国国家基金委Brain Pool 项目。