浙江大学JACS：铜纳米团簇尺寸效应诱导多硫化物转化实现高效钠硫电池

云深

2025-08-05

全文概要

浙江大学的刘铁锋、王利光和陆俊研究团队揭示了铜纳米团簇（<1 nm）在钠硫（Na-S）电池中的尺寸依赖效应，通过动态调控Cu₂S/CuS相变显著提升多硫化物（PSs）转化效率。研究发现，铜纳米团簇与长链多硫化物反应形成单晶Cu₂S，有效抑制穿梭效应；随着循环进行，纳米团簇尺寸减小，降低Cu₂S向CuS转化的能垒，形成动力学有利的双相结构（Cu₂S外层/CuS内层），加速固相硫再生。同时，CuS与铜纳米团簇协同催化多硫化物向硫的转化，实现近理论硫利用率（94.4%）。基于此设计的S@C-Cu电极在5 A g⁻¹下循环3000次后仍保持1164.9 mAh g⁻¹的高容量，且组装的软包电池在10 mA cm⁻²下稳定循环200次。

本文要点

1. 机制创新：铜纳米团簇尺寸效应驱动Cu₂S/CuS动态相变，降低反应能垒，实现高效多硫化物转化与固相硫再生。

2. 性能突破：S@C-Cu电极展现超高循环稳定性（3000次容量衰减可忽略）和倍率性能（20 A g⁻¹下1068.2 mAh g⁻¹）。

3. 普适性验证：该机制适用于Cu₃S₅、Cu₂S、NiS₂和CoS₂等材料，为金属硫化物电极设计提供通用策略。

4. 应用潜力：研究为高能量密度、长寿命钠硫电池的开发提供了原子尺度的理论依据和材料设计思路。

文献详情

Canpei Wang, Mengting Zheng, Tiefeng Liu, Liguang Wang, Jun Lu. Cu Nanocluster Size Effect Inducing the Transformation of Polysulfides to Cu₂S/CuS for Durable Sodium Storage, J. Am. Chem. Soc. (2025)

DOI: 10.1021/jacs.5c05478
全文链接

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c05478