上海交大研发新型钠硫电池，采用S⁰/S⁴⁺化学与无负极设计，能量密度达2021Wh/kg，成本仅锂电十分之一，安全性大幅提升，有望颠覆储能与电动车行业。
近日，上海交通大学科研团队成功研发出一种全新结构的钠硫电池，采用“零价硫/四价硫”氧化还原化学体系与不可燃电解液，实现高达2021瓦时每公斤的能量密度，同时彻底摆脱传统钠硫电池对金属钠负极的依赖，大幅提升了安全性与实用性。这项成果有望为大规模储能、电动汽车乃至可穿戴设备提供更便宜、更安全、更高性能的下一代电池解决方案。
钠硫电池为何被寄予厚望？
随着全球加速向电动化与可再生能源转型，储能技术成为关键瓶颈。目前主流的锂离子电池虽然能量密度高、循环寿命长，但存在两大致命短板：
一是热失控风险高，一旦短路或过充极易起火爆炸，难以用于电网级大型储能；
二是锂资源稀缺且分布不均，价格持续飙升，导致储能系统成本居高不下。
相比之下，钠元素在地壳中储量丰富、分布广泛，成本仅为锂的几十分之一，天然具备大规模应用的经济优势。而硫作为正极材料，不仅廉价易得，理论比容量高达1675毫安时每克，远超当前主流的钴酸锂、磷酸铁锂等材料。
因此，钠硫电池自上世纪80年代起就被视为极具潜力的“后锂电”候选者。
传统钠硫电池为何始终难落地？
尽管钠和硫听起来很美好，但过去几十年钠硫电池始终未能商业化，核心问题出在化学反应机制上。传统钠硫电池依赖“硫/硫化钠”（S/Na₂S）转化反应，该反应在高温（300℃以上）下才能顺利进行，常温下动力学极其缓慢，电压平台低至1.6伏以下，远低于锂离子电池普遍3.6伏以上的水平。
为了弥补电压不足，工程师不得不在负极堆砌大量金属钠——用量往往是锂电的10倍以上。这不仅抵消了钠的低成本优势，还导致电池整体体积庞大、能量密度低下，甚至因金属钠高度活泼而带来严重安全隐患。
更麻烦的是，高温运行条件限制了应用场景，根本无法用于手机、电动车等常温设备。
上海交大如何破解百年难题？
上海交通大学团队此次的突破，关键在于彻底抛弃了传统的S/Na₂S反应路径，转而启用一种全新的“零价硫/四价硫”（S⁰/S⁴⁺）氧化还原化学体系。
简单来说，他们不再让硫完全还原成硫化钠，而是只让它部分氧化，停留在四价硫状态（如SCl₄），从而在常温下就能释放出高达3.6伏的电压平台——这几乎与高端锂离子电池持平！
更妙的是，这种新反应路径无需预置金属钠负极，直接采用普通铝箔作为集流体，构建出真正意义上的“无负极”钠硫电池。这意味着电池结构大幅简化，成本进一步压缩，同时彻底规避了金属钠带来的安全风险。
电解液配方成核心技术机密
要实现S⁰/S⁴⁺反应，关键在于电解液。研究团队开发了一种基于氯铝酸盐的不可燃电解液，并巧妙引入“二氰胺钠”（NaDCA）作为关键添加剂。其中，二氰胺阴离子不仅能在正极表面催化形成活性四价硫物种（如SCl₄），显著提升反应可逆性；还能在铝箔负极侧诱导均匀的钠离子沉积与剥离，避免枝晶生长。
整个电池体系由铝箔负极集流体、环八硫（S₈）正极、含NaDCA的氯铝酸盐电解液以及玻璃纤维隔膜组成。
测试显示，该设计在未加催化剂时已实现1198瓦时每公斤的能量密度、715毫安时每克的放电比容量，以及惊人的23773瓦每公斤功率密度——这意味着它既能存得多，又能放得快。
催化剂加持，性能再翻倍！
为进一步挖掘潜力，团队在正极中引入一种名为“铋基共价有机框架”（Bi-COF）的新型催化剂。这种多孔材料具有高度有序的分子结构，能精准锚定硫中间体，加速电子转移。加入Bi-COF后，电池放电比容量飙升至1206毫安时每克，能量密度一举突破2021瓦时每公斤！
作为对比，目前特斯拉4680锂离子电池的能量密度约为296瓦时每公斤，宁德时代麒麟电池约255瓦时每公斤，而实验室级锂硫电池最高纪录也不过600瓦时每公斤左右。这意味着上海交大的钠硫电池在理论能量密度上已达到现有锂电的6倍以上，堪称颠覆性突破。
成本与安全性双重碾压
除了性能惊艳，成本更是杀手锏。据测算，该钠硫电池的原材料成本仅为每千瓦时5.03美元，不到当前磷酸铁锂电池（约50-70美元/千瓦时）的十分之一。
更关键的是，其电解液完全不可燃，从根本上杜绝了热失控风险。即便电池外壳破损、内部短路，也不会起火爆炸，极大提升了在家庭储能、地铁、数据中心等敏感场景的应用可行性。对于动辄需要百兆瓦时级储能的风电场、光伏电站而言，这种“又便宜又安全”的特性无疑具有巨大吸引力。
商业化前夜仍存挑战
当然，任何新技术走向市场都需跨越工程化鸿沟。目前该电池使用的氯铝酸盐电解液虽不可燃，却具有强腐蚀性，对生产设备和封装工艺提出极高要求。此外，该电解液在空气中仅能短期稳定，长期暴露会迅速水解失效，这意味着电池必须在严格干燥环境中组装，增加了制造复杂度。
研究团队坦言，下一步将重点优化电解液配方，提升其空气稳定性与兼容性，同时探索更廉价的替代催化剂，以加速产业化进程。
应用场景无限广阔
一旦解决工程难题，这种高能钠硫电池将重塑多个行业格局。在电网侧，可构建超低成本、超大容量的储能电站，平抑风光发电波动；在交通领域，有望让电动车续航轻松突破1500公里，且充电速度更快、安全性更高；在消费电子端，手机、笔记本电脑可能数月无需充电；甚至在航空航天、深海探测等极端环境，其高能量密度与宽温域适应性也将大放异彩。更重要的是，钠、硫均为地球 abundant 元素，供应链完全不受地缘政治制约，为中国乃至全球能源安全提供战略保障。
技术背后的战略意义
此次突破不仅是一项材料创新，更是中国在下一代电池赛道上的关键落子。长期以来，全球动力电池产业被日韩企业主导，中国虽在锂电制造规模上领先，但核心材料与专利仍受制于人。钠硫电池若能率先在中国实现量产，将一举扭转被动局面，打造完全自主可控的新型储能产业链。