非対称な原子構造によってナトリウム硫黄電池の性能を向上 (Asymmetric Atomic Structure Improves Sodium-Sulfur Battery Performance)

2026-11-02 合肥物質科学研究院(HFIPS)

中国科学院合肥物質科学研究院の研究チームは、触媒の原子構造を制御することで、ナトリウム-硫黄電池の性能と耐久性を向上させる新手法を開発した。研究では、アルミニウム(Al)単原子の周囲を4個の酸素原子で囲んだ従来構造に対し、そのうち1個を窒素原子に置き換え、酸素3個・窒素1個からなる非対称な配位構造を形成した。この構造変化によってAl原子周辺の電子分布が変化し、電池反応中に生成するポリスルフィドとの相互作用が強化された。その結果、正極からのポリスルフィドの溶出が抑制され、電極反応の効率も向上した。さらに、数千回に及ぶ充放電サイクル後も安定した性能を維持した。本成果は、単原子触媒の局所的な原子配位環境が触媒活性を左右することを示しており、低コストで長寿命な次世代ナトリウム-硫黄電池の開発につながることが期待される。

非対称な原子構造によってナトリウム硫黄電池の性能を向上  (Asymmetric Atomic Structure Improves Sodium-Sulfur Battery Performance)
This illustrates the synthesis schematic, structural characterization, electron transfer process during Na2S6 adsorption, and the p–p orbital hybridization interaction between Al single atoms and sodium polysulfides. (Image by ZHENG Fangcai)

<関連情報>

安定なNa─S電池のための非対称配位pブロックアルミニウム単原子サイト Asymmetrically Coordinated p-Block Aluminum Single-Atom Sites for Stable Na─S Batteries

Fangcai Zheng, Fangsheng Chen, Jiayao Yu, Sheng Yao, Chen Shen, Zhicheng Huang, Zhiqiang Li, Changlai Wang, Hui Wang
Angewandte Chemie  Published: 16 September 2026
DOI:https://doi.org/10.1002/ange.9140872

Abstract

Main-group metal single-atom catalysts (SACs) are promising for sodium−sulfur (Na─S) batteries owing to their low toxicity and economic viability, yet their inherently poor catalytic activity limits the electrochemical performance. Moreover, the electronic interplay involving p-p orbital hybridization between p-block metal SACs and sodium polysulfides (Na2Sn) remains unclear. Herein, we design efficient aluminum (Al) SACs with a planar asymmetrical Al─O3N coordination anchored on carbon materials (Al─O3N─C) for Na─S batteries. The introduced N ligand breaks the coordination symmetry, creating localized charge at the Al sites, which enhances p-p orbital hybridization between Al-3p and S-3p of Na2Sn. This effectively suppresses Na2Sn shuttling and accelerates sulfur redox kinetics. The resulting Al─O3N─C/S exhibits a high capacity of 1196 mAh g−1 at 0.1 C after 100 cycles, and an ultralow capacity decay of 0.017% per cycle over 2500 cycles, outperforming most reported d-block SACs for Na─S batteries. This strategy of regulating p-orbital charge distribution provides a general guideline for the rational design of other efficient main-group metal SACs.

0501セラミックス及び無機化学製品
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