深圳大学王丹/于然波&过程工程所王江艳&苏州大学李亮&上海交大梁正,最新Nature Sustainability!空间耦合吸附与催化助力可持续锂硫电池

锂-硫电池因其超高理论能量密度和低成本硫的丰富供应，被认为是一种极具前景的可最大化可持续性的储能技术。然而，在实际应用中，其高能量优势常常因需要大量、大体积的主体材料和催化剂来缓解多硫化物穿梭效应和缓慢的氧化还原动力学而受到削弱。

2026年03月30日，深圳大学王丹/于然波、中国科学院过程工程研究所王江艳团队合作在Nature Sustainability期刊发表题为“Spatially coupled adsorption and catalysis for sustainable lithium-sulfur batteries”的研究论文，深圳大学/中科院过程工程所毕如意为论文第一作者，王丹、于然波、苏州大学李亮、上海交通大学梁正、王江艳为论文共同通讯作者。

第一作者：毕如意

通讯作者：王丹、于然波、李亮、梁正、王江艳

通讯单位：深圳大学、苏州大学、上海交通大学、中国科学院过程工程研究所

论文DOI：10.1038/S₄1893-026-01794-y

该研究通过在sp-氮掺杂石墨炔多壳层结构中空间耦合吸附位点和催化位点，解决了这一难题。这一设计实现了93.9%的优异硫载量，达到了1,462 mAh g_(S+host)⁻¹的近理论容量，以及约457 Wh kg⁻¹的软包电池能量密度。即使在10C的高倍率下，该系统在600次循环中仍能保持1,384.5 Wh kg_(S+host)⁻¹的能量密度。原位光谱表征和理论计算揭示，sp-氮与相邻碳之间有利的轨道重叠促进了快速电子转移和优化的电荷再分布，从而同时促进了多硫化物的吸附和氧化还原反应。通过最小化非活性质量，该研究为高性能、资源高效的电池化学体系提供了一个可规模化发展的蓝图。

锂-硫（Li–S）电池是下一代储能的首选候选者，不仅具有高理论能量密度，同时还因硫的天然丰度、低成本和本征可回收性而具有显著的可持续性优势。尽管具有这一潜力，但实际应用受到可溶性多硫化锂（LiPS）中间体的“穿梭效应”以及锂化过程中显著的体积膨胀的阻碍，这些因素降低了活性材料的利用率和循环寿命。此外，硫及其放电产物的绝缘性质，加上缓慢的氧化还原动力学，严重限制了其倍率性能。克服这些耦合的化学和机械瓶颈对于将Li–S化学体系从实验室原型转变为可行的、资源高效的工业技术至关重要。

为了固定LiPSs并增强正极导电性，人们进行了大量研究设计各种复合主体材料。结构工程已成为一种特别有效的策略，其中中空多壳层结构（HoMSs）在多种应用中显示出非凡的前景。作为硫主体，HoMSs具有三个显著优势。第一，内部空隙空间容纳了硫在锂化过程中的大体积膨胀。第二，离散的壳层提供了多个物理屏障和高表面积的吸附位点，以抑制多硫化物穿梭。第三，相互连接的壳层网络缩短了质量和电荷的扩散距离，促进了快速氧化还原转变。

尽管采用专门的主体材料推动了该领域的发展，但在高硫载量下多硫化物穿梭问题仍未解决。从LiPSs到Li₂S₂/Li₂S的缓慢转化动力学常常导致中间体的局部积累，最终超出主体的固定能力。为了解决这个问题，最近的策略整合了催化位点以加速氧化还原动力学并“疏通”积累的LiPSs。迄今为止，这些催化剂主要集中于金属物种或金属基化合物。

然而，一个关键矛盾仍被忽视：循环寿命与实际能量密度之间的固有权衡。尽管辅助主体和催化剂提高了稳定性，但其整合常常引入过多的非活性质量，当基于正极总重量计算时，会显著降低比容量和质量能量密度。因此，设计能够在不损害系统级能量输出的情况下提供高效催化和限域作用的多功能材料，仍然是该领域一项艰巨但至关重要的挑战。

在此，该研究引入一种设计概念，在sp-氮掺杂石墨炔（sp-N GDY）HoMS内空间耦合吸附位点和催化位点。这种结构有效解决了主体质量与电化学性能之间的基本矛盾。受益于独特的sp²–sp杂化碳骨架，GDY通过偶极-偶极相互作用提供了固有的掺杂多功能性和强LiPSs吸附能力。原位表征和理论计算表明，sp-N与相邻碳原子之间优越的轨道重叠触发了高效电子转移和电荷再分布。这产生了高密度的极化位点，同时增强了LiPSs的锚定并催化其向Li₂S₂/Li₂S的转化。此外，由GDY纳米片组装而成的HoMS框架促进了全方位的锂离子扩散，同时提供了分级空间限域以抑制多硫化物穿梭。因此，即使在高达93.9%的超高硫载量下，sp-N GDY HoMS正极在0.1C时仍能实现接近理论值的1,462 mAh g_(S+host)⁻¹容量。在10C倍率下，该系统在600次循环中表现出1,384.5 Wh kg_(S+host)⁻¹的能量密度和29,457.4 W kg_(S+host)⁻¹的功率密度。该设计的实际可行性通过一个提供457 Wh kg⁻¹的软包电池演示得以证实，为可持续、高能量密度Li–S电池的商业化提供了一条战略路径。

图1 | 材料表征。a,b，sp-N GDY HoMSs的TEM（a）和SEM（b）图像。比例尺：500 nm（a），1 μm（b）。c，GDY HoMSs、N GDY HoMSs和sp-N GDY HoMSs的拉曼光谱。d，N GDY HoMSs和sp-N GDY HoMSs的N边XANES谱。e,f，sp-N GDY HoMSs中C1s（e）和N1s（f）的高分辨XPS谱。g,h，Cent-sp-N（g）和Side-sp-N（h）位点旁边N-s，p轨道的位点依赖分态密度比较。i，S@sp-N GDY HoMSs的STEM-EDX元素面分布图。比例尺：500 nm。j,k，S@GDY HoMSs、S@N GDY HoMSs、S@sp-N GDY HSs和S@sp-N GDY HoMSs的XRD谱图（j）和TGA曲线（k）。l，sp-N GDY HoMSs和S@sp-N GDY HoMSs的FTIR曲线。注意，三次重复实验对于TEM（a）、SEM（b）和STEM-EDX元素面分布图（i）显示了相似的结果。PDOS，分波态密度。

图2 | Li–S扣式电池的电化学性能。a，0.2C下的充/放电曲线。b,c，Li–S电池的循环性能（b）和倍率性能（c）。电池在0.1C活化处理后进行测试。d，S@sp-N GDY HoMS正极在0.1C、0.2C、0.5C、1C、2C和3C活化处理后，于5C和10C下的长循环性能。e，在不同电流密度下与已报道Li–S电池的比容量比较。

图3 | 多硫化物的化学吸附与原位表征。a，不同样品吸附后Li₂S₆溶液的UV–vis光谱和光学图像（插图）。b，S@sp-N GDY HoMSs在不同电压扫描速率下的CV曲线。c，Li–S电池中阳极氧化过程（A）和阴极还原过程（C1）的峰值电流与扫描速率平方根的关系。d，Li₂S沉积曲线。e，S@sp-N GDY HoMS正极的原位拉曼光谱。f，S@sp-N GDY HoMS正极的原位FTIR光谱。g,h，S@sp-N GDY HoMS正极（g）和S@GDY HoMS正极（h）的原位UV–vis光谱等高线图。i，S@sp-N GDY HoMS正极的原位EIS谱。j，不同正极的原位EIS电阻变化。注意，对于每种样品，组装了两个电池，并检查了原位EIS。数据以平均值±平均值的标准误差表示。k,l，S@sp-N GDY HoMS电极在不同放电/充电状态下的C边（k）和S边（l）XANES谱。OCV，开路电压。

图4 | DFT计算。a，LiPSs在Cent-sp-N、Side-sp-N和Pyri-N掺杂GDY上的优化吸附构型。b，硫物种在不同活性位点上的结合能数值。c，在不同活性位点上从S₈到Li₂S放电过程计算得到的自由能数值。d，掺杂GDY的Cent-sp-N、Side-sp-N和Pyri-N与Li₂S₄的电荷密度。蓝色和黄色分别代表电荷密度的减少和增加。

图5 | Li–S软包电池的电化学性能。a,b，S@sp-N GDY HoMS正极在0.05C活化处理后，于0.1C下不同高硫载量的循环性能（a）和比容量比较（b）。c，S@sp-N GDY HoMS软包电池在0.1C下的长期循环性能。d，软包电池的典型电压曲线。e，S@sp-N GDY HoMS软包电池与已报道Li–S电池的质量能量密度比较。

该研究展示了一种基于空间耦合吸附-催化位点的可持续硫阴极设计概念，有效解决了Li–S电池中循环寿命与实际能量密度之间的内在矛盾。通过结合原位表征和理论模型，研究发现sp-N与相邻C之间最优的s，p-轨道重叠引发了显著的电子转移和电荷再分布。由此产生的极化sp-N（负电）和C（正电）原子作为协同中心，同时抑制了多硫化物穿梭并加速了氧化还原动力学。这种sp-N的整合进一步增强了电子电导率，并且石墨炔纳米薄片亚单元促进了快速锂离子传输。此外，多壳层结构缩短了扩散路径，并为稳健的多硫化物固定提供了分级空间限域。因此，sp-N GDY HoMS阴极实现了卓越的容量和稳定性，最终达到了457Wh kg⁻¹的软包电池能量密度，这是高性能、资源节约型能源存储商业化的重要基准。

总之，该研究为开发实用且可持续、同时实现高能量密度和长循环寿命的Li–S电池建立了一个稳健的框架。研究人员预期，在单一宿主内空间耦合锚定和催化中心的设计原则将超越Li–S化学体系，为解决其他下一代能源系统（包括金属-空气电池和燃料电池）中的性能权衡问题提供一种通用策略。通过弥合分子水平工程与系统级可行性之间的差距，这些见解为资源节约型的全球能源转型提供了一条可扩展路径。