钠硫电池 因能量密度高、资源丰富、价格低廉而备受青睐，有望在大规模储能、动力电池等领域得到广泛应用。其中，室温钠硫电池的最终放电产物硫化钠可作为正极材料，不仅理论比容量高（686 mAh/g），而且可以与非正极材料匹配。钠金属负极（如硬碳、金属锡）避免直接使用。
钠金属负极所带来的安全隐患等优势逐渐成为研究热点。然而，硫化钠正极材料本征电导率低、反应活性差、与多硫化物的可逆循环差等缺点限制了其实际比容量和循环寿命。
钠硫电池的特性
钠硫电池以其理论能量密度高（1274Wh/kg，最终充电产物为硫化钠Na2S）、自然界中正（硫）负（钠）极元素丰度高、低价格。例如金属钠的价格约为2100美元/吨，比锂的价格便宜近10倍（锂约为25000美元/吨），而硫的价格则更低，约为20美元/吨，而硫的理论值比容量为1672 mAh/g。
目前商用钠硫电池的工作温度为300-350℃，采用钠离子导电的β”-Al2O3（离子电导率约为0.2S/cm）作为固体电解质。此时，负极和电极钠和正极硫为液态，电池的基本反应为：2Na+xS 图Na2Sx (x=3～5) 高温钠硫电池最终放电产物为Na2S3，其理论能量密度为 760 Wh/kg。
然而，高温钠硫电池所依赖的密封材料、耐腐蚀外壳等关键技术被日本NGK公司、美国GE公司等少数几家公司所垄断。常温钠硫电池的正极也是用硫磺材料做的，负极是金属钠。
但在室温下，最终放电产物为Na2S，因此比高温钠硫电池具有更高的理论能量密度（1274 Wh/kg）。并且其常温运行环境不需要额外的培养箱，既降低了成本，又避免了高温带来的安全隐患。
此外，常温钠硫电池也面临诸多挑战：如硫正极最终放电产物生成Na2S，体积膨胀约160%，极有可能导致电极材料脱落。中间产物多硫化物会溶解在电解液中，穿梭到负极时不可逆。
容量迅速衰减引起的副反应。而钠金属负极在循环过程中产生的钠枝晶会刺穿隔膜造成短路。因此，开发稳定安全的电极材料对于常温钠硫电池至关重要。
Na2S正极材料工作原理
基于此，使用室温钠硫电池的最终放电产物Na2S作为正极，不仅可以消除硫正极的体积膨胀问题，还可以提供钠源与其他安全负极配对（如硬碳、锡金属等），避免直接使用钠金属阳极带来的安全隐患。
因此，Na2S正极-Sn负极的全电池反应可表示为： 由于商用Na2S正极的粒径较大（约1mm），完成首次充电所需的时间约为正极的两倍第二个周期。同时，Na2S正极在第一次充电循环中也需要克服较大的过电位。
这主要是由于商业化的Na2S粒径较大，钠化成多硫化物时具有较大的成核能。在初始后阻挡层成核后，在未反应的 Na2S 周围形成高度局部化和粘稠的多硫化钠，这降低了钠离子的扩散速率。这种动力学障碍也解释了第一次充电时间长的原因。
Na2S正极材料的研究现状
Na2S作为室温钠硫电池正极的研究还处于起步阶段。半导体能带结构的宽带隙(2.44 eV)、导电性差、Na2S与多硫化物的转化动力学缓慢等关键科学问题亟待解决。
目前提高Na2S导电性的策略是通过与导电基底材料（如碳材料）复合、改善Na2S的形貌和结构、使用催化剂改善其可逆循环、设计等方法来提高Na2S的界面电荷转移速率。电池结构。提高其导电性，促进电子的快速传导和缩短钠离子的扩散路径，获得高性能的钠硫电池。
Na2S或C复合材料
碳基材料常用作导电衬底材料，与Na2S复合。利用碳基材料优异的导电性来提高界面电荷转移速率，可以有效提高Na2S/C复合材料的整体电导率。科学家在 2015 年报告称，将直径为 10-30 nm、长度为 100-150 mm 的商用 Na2S 和多壁碳纳米管 (MWCNT) 溶解在四乙二醇二甲醚 (TEGDME) 中，然后将其注入人体编织、无粘合剂的 MWCNT 织物电极，将所制备的 Na2S/MWCNT 用作室温钠硫电池的阴极材料。
商用Na2S虽然可以直接作为常温钠硫电池的正极材料，但在首循环充电时仍需克服较大的过电位，这主要是由于商用Na2S的粒径较大（微米级） ，很难转化为多硫化物。当其成核能较大时，商业化的Na2S与碳直接复合的效果有限。因此，原位制备Na2S与导电材料的复合材料将有助于进一步提高Na2S复合正极的导电性，同时降低首圈充电时的过电位。
Na2S形态控制
调节Na2S的形貌和结构还可以促进钠离子的扩散和电子的快速传导，从而提高室温钠硫电池的可逆容量和循环寿命。因此，研究人员通过多种策略控制Na2S正极材料的形貌、尺寸等参数，以提高Na2S正极材料的电化学性能，进而实现安全、高性能的室温钠硫电池。
商业 Na2S 在第一次充电循环中的大充电过电势主要是由于其大粒径。当它转变为多硫化物时，其成核能很大。因此，减小Na2S的粒径可以降低其活化能垒。，进而实现钠硫电池可逆容量的提升。当电流密度为50 mA/g时，Na2S/Na3PS4/C复合全固态钠硫电池在60℃时的可逆容量高达800 mAh/g，容量可维持在650 50 次循环后的 mAh/g。
Na2S的催化可逆循环
Na2S 的低本征反应性导致与多硫化物的转化动力学缓慢，这反过来又加剧了多硫化物的穿梭效应。因此在正极材料的设计中，引入催化剂提高Na2S的反应活性，利用高效催化剂催化Na2S与多硫化物的可逆循环，可实现高效可逆室温钠硫电池。
氮化物对钠硫电池的影响
除了金属和金属硫化物催化剂外，氮化物也可以作为电催化剂促进Na2S的电沉积，从而显着提高室温钠硫电池的效率。使用原位同步辐射 XRD，发现 Mo5N6 可以改善 Na2S2 Na2S 的转化动力学。同时，Na2S的沉积实验也表明，与MoN和Mo2N相比，Mo5N6可以显着提高Na2S电沉积的电流和容量。钠硫电池结构设计
除了电极材料的设计，研究人员还优化了电池结构，以提高钠离子的扩散速率和多硫化物的穿梭效应，从而提高Na2S正极材料的电化学活性。使用Na2S正极材料可以开发成无钠金属的室温钠硫电池。
与传统的电解质-隔膜钠硫电池相比，外膜电极的Na2S正极材料表现出优异的室温钠硫电池性能，在C/10电流密度下其比容量约为800 mAh/g。100次循环后，其比容量保持在600 mAh/g。
Na2S面临的挑战及未来发展方向
用Na2S正极构建的室温钠硫电池最大的优势在于Na2S正极材料的理论能量密度高、资源丰富、价格低廉。因此，要实现其大规模应用，就必须将其优势发挥到极致。
高性能Na2S正极材料的设计与制备
Na2S正极材料可与硬碳、Sn及其合金等其他非钠金属负极材料配对，实现安全、高能量密度的室温钠硫电池。然而，Na2S正极材料也面临着首次充电活化能垒高、本征电导率差、反应活性差、与多硫化物的可逆循环差等关键科学问题。
因此，如何提高Na2S正极材料的电化学性能是未来重要的发展方向。将电催化剂引入Na2S正极设计中，有望不仅提高Na2S正极材料的本征电导率和反应活性，还可以改善Na2S和多硫化物的转化动力学，从而实现高性能的室温钠硫电池性能.
电解液与电解液或电极表面界面的设计优化
合适的电解质对于具有高能量密度和长循环寿命的室温钠硫电池至关重要。另外，电解液对于锂离子电池来说很重要，锂离子电池的电解液不同于钠硫电池。因此，开发设计合适的电解液，既可以保证Na2S正极材料的高性能，又可以优化电解液/电极表面界面，促进表面界面的传质速率。
目前，常温钠硫电池的电解液主要有两种：醚类电解液和碳酸盐类电解液。醚类电解质通常具有较高的多硫化物溶解度，可促进多硫化物与Na2S的转化效率，但其高多硫化物溶解度会加剧穿梭效应。
Na2S正极材料机理探索
目前，研究人员对Na2S正极材料的储钠机理有一定了解，但尚未采用原位技术直接观察其充放电过程。因此，在未来的研究中，可以利用原位表征技术探索Na2S正极材料的反应机理。结论
鉴于目前Na2S正极材料的发展现状，未来重点发展方向包括：一是继续探索新型高性能、稳定的Na2S正极材料，实现高能量密度和长循环寿命。二是开发配套的电解液体系，深入探索SEI和CEI在电极与电解液界面的成膜机理，加深对表面界面微环境对钠硫电池容量衰减机理的认识。
三是深入理解Na2S正极材料的储钠机理，特别是采用先进的原位表征技术与理论计算相结合，探索电极储钠机理、电荷转移过程和强化机理，提供科学和理论指导用于高性能钠硫电池电极材料的结构设计。