原位TEM助力揭示不饱和二硫化钼诱导的超快钠离子动力学

室温钠硫电池凭借低廉的成本、丰富的资源储量的理论能量密度，被广泛认为是未来大规模储能系统的关键技术方案。在当前的研究现状中，为了克服多硫化物的穿梭效应，研究者们多采用多孔碳框架进行物理限制，或利用极性宿主材料引入化学相互作用，以此提升对多硫化物的亲和力并促进其催化转化。然而这些策略在本质上仍未能摆脱涉及可溶性长链多硫化物的溶解与再沉积转化路径。由于碳载体与活性物质间的相互作用较弱，往往不足以抑制穿梭效应，且氧化还原动力学的迟缓依然限制了电池的倍率性能，导致容量在循环过程中快速衰减。

该领域面临的严峻挑战在于如何有效解决硫氧化还原动力学缓慢及长链多硫化钠穿梭带来的负面影响，这些因素会引发电解液副反应并导致钠负极退化。虽然准固态氧化还原路径作为一种潜力的策略，能够通过消除可溶性长链中间体来提升循环稳定性，但其在应用中常面临硫载量低的问题，难以满足高能量密度的实际需求。更具挑战性的是，在电流密度较高的情况下，由于钠离子传输受阻、催化活性不足及电子耦合薄弱，系统会出现严重的极化现象，导致硫转化不全及快速的容量失效。目前对于驱动准固态转化的深层催化机制以及离子输运动力学规律尚缺乏透彻理解，这直接制约了高性能钠硫电池的进一步开发

针对上述问题，由上海理工大学、天津大学等组成的团队利用泽攸科技的原位TEM测量系统进行了系统研究，通过提出一种不饱和配位化学策略，在交叉堆叠碳微球上负载不饱和二硫化钼催化剂，成功激活了室温钠硫电池中的快动力学准固态氧化还原路径。

该研究针对室温钠硫电池中动力学迟缓及多硫化物穿梭的问题，提出了一种创新的不饱和配位化学策略。研究团队通过低温热解技术，将不饱和二硫化钼纳米片均匀锚定在交叉堆叠的微米级碳球上，成功构建出一种新型的多功能硫载体。在这种结构中，交叉堆叠的碳球通过空间限域作用物理性地约束硫物种，有效缓解了充放电过程中的体积膨胀并限制了活性物质的流失。同时，由于二硫化钼中的钼原子未达到配位状态，这些不饱和位点表现出更高的化学反应活性，作为路易斯酸中心与硫中间体产生强烈的化学相互作用。

图1 机理示意图及来自密度泛函理论DFT计算的电子结构分析

图2 不饱和配位结构与电荷转移

研究通过电子结构分析进一步揭示了不饱和钼位点对氧化还原路径的重塑作用。实验数据与理论计算共同证实，不饱和钼位点能够显著降低硫氧化还原过程中的吉布斯自由能势垒，并诱导反应从传统的溶解再沉积机制转变为准固态氧化还原路径。在这种机制下，反应直接跨越易溶解的长链多硫化钠阶段，通过产生低溶解度的短链中间体，最终转化为不溶性的产物。这种转变不仅从根本上抑制了多硫化物的穿梭效应，还通过增强电子耦合效应显著加快了界面电荷转移速率，为实现高倍率性能奠定了坚实的物理化学基础。

图3 钠硫电池的电化学性能

图4 硫氧化还原路径与稳定性机理

为了在原子尺度下直观解析电池内部的动态演化过程，研究团队利用泽攸科技的透射电镜原位样品杆，构建了高性能的纳电池模型。在原位样品杆的精密驱动下，研究者能够对纳米尺度的钠化与脱钠动力学进行实时监控，并成功捕捉到超快钠离子流的传输行为。通过引入钠迁移距离和局部钠含量这两个定量描述符，研究准确评估了活性物质内部的离子扩散动力学特征。这种高分辨率的原位表征手段证实了不饱和钼催化中心对钠离子传输的显著促进作用，并展示了电极材料在电压偏置下机械稳定性和结构可逆性。

图5 快速钠离子扩散的可视化

得益于准固态路径带来的高转化效率与结构稳定性，该硫载体表现出竞争力的电化学性能。实验结果显示，该电极在低电流密度下循环一百五十次后依然能够保持高容量，而在电流强度下，更是实现了长达三万次的超长循环寿命，且容量保持率远超同类研究报道。为了验证其实际应用潜力，团队还组装了具有高载硫量的软包电池，在持续循环后成功驱动了红色发光二极管，展现了良好的柔韧性与商业化应用前景。这一系列成果为设计高能量密度且长寿命的大规模储能系统提供了重要的技术支撑与理论蓝图。

图6 界面稳定性与动力学

FEI双倾探针杆

泽攸科技专注于扫描电子显微镜、原位测量系统、台阶仪、纳米位移台、光栅尺、探针台、电子束光刻机、二维材料转移台、超高真空组件及配件、压电物镜、等离子体化学气相沉积系统等精密设备的研究，满足国家在科学精密仪器领域的诸多空白。泽攸科技以自主知识产权的技术为核心，依托一支专业的研发与生产团队，经过二十多年的技术积累，在半导体加工设备和材料表征测量领域已属于国内头部。公司承担和参与了国家重点研发计划、国家重大科研装备研制项目等多个重量级科研项目，多次实现国内材料表征测量设备的“国产替代"，相关产品具有较好的国际声誉、产品检测数据被国际盛名期刊采纳。