化學(xué)電池，實(shí)際上就是用一個(gè)化學(xué)反應(yīng)釋放的能量來驅(qū)動(dòng)電子從一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到另一個(gè)電極。在這個(gè)意義下，很多體系可以用來做電池（先不考慮反復(fù)充放電的問題），可以說，所有涉及到氧化還原（涉及到電子轉(zhuǎn)移，例如燒木柴）的反應(yīng)都可以，甚至不涉及氧化還原的化學(xué)反應(yīng)也可以（復(fù)分解反應(yīng)，例如鹽酸加到小蘇打里冒出來二氧化碳，但是需要另外做一些改造）。

但是這自然會(huì)讓人問起，什么反應(yīng)更適合用來做電池呢？

成本等等其他實(shí)際操作中的因素當(dāng)然是要考慮的，如果先拋開這些，只討論科學(xué)和技術(shù)層面的問題，那么主要是1）能量密度（用跑步類比的話就是能跑多遠(yuǎn)）；2）功率密度（還是跑步類比，就是能跑多快）；3）單個(gè)電池能提供多大的電壓（雖然其實(shí)可以串聯(lián)多個(gè)電池提高電壓）。

選擇了一個(gè)給定的化學(xué)反應(yīng)之后，基本上一個(gè)電池的電壓的上限就基本確定了（一般也不會(huì)比上限低太多，這個(gè)上限是可以容易的計(jì)算出來的，雖然也需要查手冊(cè)獲得參數(shù)）。直觀的，可以認(rèn)為一個(gè)化學(xué)反應(yīng)越容易進(jìn)行，它做成電池之后可以給出的電壓就越高（比如，金屬鈉和水反應(yīng)很劇烈吧，所以如果它做成電池，電壓就會(huì)比較高）。

能量密度（的上限）也是可以估算的，能量密度取決于單位質(zhì)量或者單位體積能存儲(chǔ)多少電子。比如單位質(zhì)量，每個(gè)鋰（或者鈉，鉀）能給別人一個(gè)電子，但鋰原子要輕，所以它做電池負(fù)極能量密度比鈉高（但是儲(chǔ)量比鈉少很多，而且很多都跑到海洋里去了）；比如鈉和鎂，重量差不多，但是每個(gè)鎂能給出兩個(gè)電子，所以拿它做電池負(fù)極的話，也可以獲得比鈉更高的能量密度。

上面那些是熱力學(xué)的事，熱力學(xué)管的是一個(gè)事情行不行，但不管怎么才能讓事情成功，后者屬于動(dòng)力學(xué)問題。

前面提到的幾個(gè)參數(shù)中跟動(dòng)力學(xué)有關(guān)的是，功率密度。就比如我們都知道鋁其實(shí)是活潑金屬，但是它在空氣中是穩(wěn)定的，可以在日常生活中使用，中學(xué)化學(xué)就告訴我們，鋁被氧化之后會(huì)在表面形成一層致密的氧化鋁，保護(hù)內(nèi)部的鋁不再被氧化。像這樣的過程，可以描述為自限制，類似的反應(yīng)就不能直接拿來做電池，因?yàn)闊o法持續(xù)的放電。

但是相反的過程（可以說是自加速）也是不行的，比如鈉和水的反應(yīng)，反應(yīng)放出大量的熱（溫度越來越高，以至于把鈉融化了），讓反應(yīng)進(jìn)行得越來越快，最后幾乎就是爆炸了，這肯定也是不行的。實(shí)際上，用金屬鋰做的電池（室溫下的金屬鈉也一樣，不過要好點(diǎn)）存在的一個(gè)安全問題就是，在充電（把鋰離子還原為金屬鋰沉積到電極上）的過程中，因?yàn)榇嬖谒^尖端放電的問題（回憶初中物理，類似避雷針），所以會(huì)出現(xiàn)電充著充著，金屬鋰一直在一個(gè)小尖上不斷沉積（鋰枝晶），最后把正負(fù)極短路了，然后就出現(xiàn)燃燒或者爆炸的問題。在高溫下的鈉硫電池一個(gè)可能算是額外的好處就是鈉是熔化的狀態(tài)，不會(huì)有尖端放電的問題，這個(gè)思想今年被巧妙的發(fā)掘，為鋰枝晶問題提供了一個(gè)獨(dú)特的思路（發(fā)表在Science上）。

如果要做成可以充放電的電池，還要求逆向反應(yīng)是可以發(fā)生的，比如燒碳?xì)浠衔铮ɡ缙停┛梢蚤_發(fā)為燃料電池，但是就不適合做逆向反應(yīng)。

鈉和硫可以反應(yīng)（同樣的，它可以和元素周期表上的氧硫硒反應(yīng)），這個(gè)反應(yīng)可以被構(gòu)造為一個(gè)電池，而且是可以充電的。

在放電時(shí)，簡(jiǎn)化的電池反應(yīng)是

負(fù)極：

正極：

這里一個(gè)值得注意的事情是，鈉離子，它是負(fù)極反應(yīng)的“產(chǎn)物”，也是正極反應(yīng)的反應(yīng)物，這說明，鈉離子要從電池的一邊跑到另一邊。但同時(shí)暗含另一點(diǎn)：其他“東西”不能隨便跑，所以，這要求電池的正負(fù)極之間要有一個(gè)隔膜（否則哪哪都能反應(yīng)，電池會(huì)過熱甚至最終爆炸而且也無法有效的輸出電）。對(duì)這個(gè)隔膜的基礎(chǔ)要求是電極反應(yīng)中的所有“東西”，只有鈉離子能穿過隔膜。從這個(gè)基礎(chǔ)要求可以衍生出很多具體的標(biāo)準(zhǔn)，例如，鈉離子在隔膜里能跑來跑去，那它能跑多快呢，這是一個(gè)重要的參數(shù)，它很大程度上決定了電池充放電的速度，這是因?yàn)樵凇案髯宰罴训那闆r”下，離子比電子重很多，所以它們移動(dòng)的速度要比電子慢好幾個(gè)數(shù)量級(jí)，所以電池反應(yīng)進(jìn)行的速度就被離子跑的速度限制住了。其他比如，實(shí)際上除了鈉離子，其他“東西”也是會(huì)穿過隔膜的，這會(huì)影響電池的安全性以及壽命，所以這個(gè)比例有多少也是一個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)；還有隔膜的穩(wěn)定性，鈉是很“活潑”的；電池中的另一個(gè)東西，硫離子，其實(shí)也很活潑，，也就是它們可以和很多東西反應(yīng)，也就包括隔膜，在高溫下更是如此。所以用陶瓷做隔膜主要的原因應(yīng)該就是它耐腐蝕，不會(huì)輕易被破壞。因?yàn)槠鋵?shí)最常見的用來做隔膜（能傳導(dǎo)鈉離子）的材料大概是Nafion，也是一種用了幾十年的老產(chǎn)品，比如在燃料電池，鋰離子電池中用的就是它。陶瓷的問題是，它們雖然足夠穩(wěn)定，但鈉離子在里面跑的速度非常慢，因?yàn)闇囟雀吡穗x子跑的速度能更快一些，所以不得已把升到300度。

但是升到300度確實(shí)是不適合用到車上的，50年前鈉硫電池最早在美國(guó)被提出時(shí)就是想用到車上，因?yàn)榘踩念檻]最后被擱置了。是日本在后來重新注意到這個(gè)技術(shù)用在大規(guī)模儲(chǔ)能的潛力，才讓它重見天日。

當(dāng)然，人們也一直琢磨著如何發(fā)展出常溫的鈉硫電池，特別是電池在這些年成為發(fā)文章的大熱，但可能都僅限于文章。

首先，不同于高溫（鈉和硫都是熔融）的情況，室溫下的電池通常會(huì)加液態(tài)的電解質(zhì)（為了讓離子傳導(dǎo)容易一些，室溫下的固態(tài)電解質(zhì)傳導(dǎo)離子的能力往往很弱），于是電池的構(gòu)成往往是類似下圖的（來自Small上的一篇綜述AmbientTemperatureSodium–SulfurBatteries）。

前面提到，選定一個(gè)電池后，它能提供的電壓的上限基本是確定的，那么要讓它輸出最大的電流，需要做的事就是讓電池的整體內(nèi)電阻最小，這個(gè)電阻在上圖中從上到下包括：1）上圖中沒有體現(xiàn)出來的，電子從電極到鈉（sodium），涉及接觸電阻，不過可以忽略；2）金屬鈉中涉及電子傳導(dǎo)，更?。?）在金屬鈉和電解質(zhì)界面（想象中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的地方），一般還比較快；4）鈉離子在電解質(zhì)中的傳輸，有限值；5）鈉離子跨過膜（阻值很大）；6）鈉離子在電解質(zhì)中的傳輸，有限值；7）鈉離子潛入正極（發(fā)生“反應(yīng)”）；8）電子在正極（硫）上的傳導(dǎo)；9）硫和碳或者其他惰性電極材料的之間的電子傳導(dǎo)，接觸電阻。

一個(gè)基本的事實(shí)是1）在各自的良導(dǎo)體中，電子傳導(dǎo)比離子快好幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因?yàn)檩p；2）它們的傳導(dǎo)都是溫度的函數(shù)，通常溫度離子傳導(dǎo)速度升高，但電子會(huì)變慢，但事實(shí)1）依然成立。

因?yàn)榱虮旧韼缀醪粚?dǎo)電，所以8）很大；此外，在放電（S變成Na2Sx）后會(huì)伴隨著體積膨脹，使得1）本身更不導(dǎo)電，2）讓硫和電極之間的接觸電阻更大，3）讓電池的封裝被破壞，造成泄露和安全風(fēng)險(xiǎn)。

上面提到，金屬鋰做電池負(fù)極時(shí)，在充電過程中會(huì)形成鋰枝晶，造成短路風(fēng)險(xiǎn)；室溫下的金屬鈉也有這樣的問題；

加了液態(tài)電解質(zhì)后，前面提到，室溫下可以用陶瓷之外的隔膜來分隔正負(fù)極，因?yàn)殁c離子傳導(dǎo)的速度更快；不過隔膜的另一個(gè)功能：阻隔除了鈉離子（其實(shí)還有電解質(zhì)）之外的其他東西的傳導(dǎo)，有一點(diǎn)問題，因?yàn)榱蚴强梢匀芙庠谝簯B(tài)電解質(zhì)中的，從而可以穿過隔膜，這樣電池的容量就會(huì)很快下降。

最后非常簡(jiǎn)單的介紹幾個(gè)在這個(gè)方向上近五年看起來做得比較成功的案例。這幾個(gè)案例都是在對(duì)正極材料做改良，最終拿到的容量反而是高于現(xiàn)在這種高溫的鈉硫電池。原因之一是電池反應(yīng)的最終產(chǎn)物能到硫化鈉而不是多硫化鈉。

1）

2012年的工作。個(gè)人覺得非常巧妙的思路：硒和硫在元素周期表上是同一列，所以也會(huì)和鈉反應(yīng)，但硒本身導(dǎo)電性比硫高了二十倍不止，所以用硒代替硫可以潛在的解決硫?qū)щ娦圆畹膯栴}。

元素周期表偉大的地方在于它很大程度上引導(dǎo)了化學(xué)的思路，比如有了鋰電就有鈉電；這個(gè)工作的。

不過硒要比硫貴一些，但這種工作是比較有可能實(shí)用的。

2）

2014年的工作，但應(yīng)該是性能最好的案例之一吧，在2C下容量還能到800mAh/g。亮點(diǎn)還是在正極材料，這里是把硫包在碳納米管中，變成活性更高的狀態(tài)。

這個(gè)團(tuán)隊(duì)就在清華西南門外的化學(xué)所。他們主要還是做鋰電。

3）

2016年的工作。這個(gè)挺復(fù)雜的，有點(diǎn)類似于雞尾酒的感覺，不過似乎主要應(yīng)該是對(duì)正極做了改良，用了一個(gè)特殊的多孔碳和硫的復(fù)合材料做正極。效果很顯著，在放電速率是0.5C時(shí)還能到600mAh/g。

正極材料做起來更復(fù)雜。