随着全球能源消耗的快速增长和对低碳生活的追求，开发具有高比容量和高能量密度的新型储能系统迫在眉睫。钠-氯（Na–Cl₂）电池因其极高的能量密度和宽温适应性成为研究热点，但其实际应用受限于氯物种在碳阴极上的缓慢转化与供给不足，导致循环寿命短、高倍率性能差。因此，如何通过材料设计增强碳阴极对Cl₂的吸附与催化转化能力，成为提升Na–Cl₂电池性能的核心科学问题。
2026年1月20日，中国石油大学（华东）智林杰教授、孔德斌教授团队在Nano Energy上发表题为“High-Sulfur-Doped Cathodes Enable Efficient Chloride Conversion in Rechargeable Na-Cl₂ Batteries”的研究论文。本研究提出了一种基于氮诱导策略的高浓度硫掺杂石墨烯阴极材料，采用闪蒸焦耳热冲击法（FJH），利用瞬时高温脉冲（~3000 K，持续约1秒）快速热解氧化石墨烯与尿素/噻吩复合物，在石墨烯中同时引入氮和硫异质原子。 该方法能有效实现原子的瞬间掺杂并修复因硫原子引起的晶格畸变。研究系统揭示了氮原子优先掺杂为硫提供锚定位点，实现硫含量从0.72%提升至2.32%，并通过实验与理论计算阐明了硫掺杂增强Cl₂吸附与加速NaCl/Cl₂可逆转化的催化机制。基于该阴极的Na–Cl₂电池在1.5 A g⁻¹下实现了3000 mAh g⁻¹的创纪录放电比容量，并展现出优异的倍率性能与低温循环稳定性。
图1：高硫掺杂石墨烯的合成策略与物理性质比较。
该图通过对比氮、硫、碳原子的原子半径、电负性等物理参数，阐明了氮因与碳尺寸匹配度高、电负性差异大而易于优先掺杂至石墨烯晶格中，为后续硫原子的引入创造缺陷与电子离域位点。合成示意图直观展示了通过焦耳热冲击实现氮诱导高硫掺杂的过程。LSV与Tafel测试表明，硫掺杂显著提高了Cl₂还原反应起始电位，并降低了反应过电势，证实硫掺杂有效提升了阴极的电催化活性。
通过SEM与EDS mapping对比低硫与高硫掺杂样品，显示高硫样品具有更完整、致密的层状结构，硫元素分布均匀。XPS C 1s谱中C–N键的能量位移与半峰宽变化表明氮掺杂改变了局部电子环境，促进了C–S键形成。拉曼光谱中ID/IG值从0.97增至1.12，证实高硫掺杂引入了更多缺陷结构。静电势计算进一步表明吡咯氮和吡啶氮构型形成负电势空位，有利于硫原子的吸附与掺杂。
高硫掺杂阴极在1.5 A g⁻¹下实现了3000 mAh g⁻¹的高放电容量，并在10次循环中保持稳定；在0.3–10 A g⁻¹宽电流范围内仍维持高容量保持率。EIS谱显示高硫阴极具有更低的电荷转移阻抗与更快的离子扩散动力学。极化电压对比进一步表明，高硫材料有效降低了NaCl沉积/溶解过程中的极化，提升了反应可逆性。
LSV与CV测试表明高硫阴极具有更高的还原电位与更低的Tafel斜率，说明硫掺杂降低了Cl₂/NaCl转化的能垒。非原位XPS显示S–Cl键在充放电过程中周期性变化，证实硫参与催化反应。原位拉曼光谱中D/G峰信号在放电时减弱、充电时恢复，表明NaCl在高硫表面可逆沉积与剥离。超声波扫描成像进一步直观展示了高硫电池中Cl₂与NaCl的高可逆转化过程。
DFT计算表明，噻吩/呋喃型硫结构对Cl₂的吸附能显著高于纯石墨烯，且Cl–Cl键长在吸附后延长，说明硫位点对Cl₂具有强活化作用。吉布斯自由能计算证实硫掺杂显著降低了NaCl氧化为Cl₂的能垒。性能对比图显示，高硫阴极在比容量与能量密度上均优于文献报道的其他材料，组装的软包电池在-40°C下仍能稳定循环15次以上，展示出优异的低温适应性。
总之，本研究通过“氮优先掺杂诱导高硫负载”的策略，成功构筑了硫含量达2.32%的高催化活性石墨烯阴极。机制上，氮掺杂引起的电子结构重排与缺陷位点为硫原子锚定提供了理想环境，形成的噻吩/呋喃型硫结构显著增强了Cl₂的化学吸附并降低了NaCl/Cl₂转化的反应能垒。性能上，该阴极在Na–Cl₂电池中实现了3000 mAh g⁻¹的超高放电容量、优异的倍率性能与低温循环稳定性，展现出目前同类体系中的最佳综合表现。该工作不仅为高硫掺杂碳材料的设计提供了新思路，也为金属-氯电池中氯物种的高效催化转化提供了理论依据与材料平台，推动了高能量密度氯基电池向实用化迈进。未来可探索硫与其他异质原子（如P、B等）的协同掺杂效应，进一步提升碳阴极在复杂工况下的催化稳定性与结构耐久性。
文献信息：Yiming Sun, Guanzhong Ma, Zihui Liu, Xinru Wei, Chenyu Ma, Wenting Feng, Xinghao Zhang, Han Wang, Xiaowei Zhang, Peiqi Liu, Debin Kong, Linjie Zhi. High-Sulfur-Doped Cathodes Enable Efficient Chloride Conversion in Rechargeable Na-Cl2 Batteries. Nano Energy, 2026, 111745, ISSN 2211-2855. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2026.111745.
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