深圳大学王丹领衔Nature Sustainability:sp-氮掺杂石墨炔多壳结构实现锂硫电池吸附与催化空间耦合,突破性能与能效平衡瓶颈

科研计算、模拟服务：含第一性原理（DFT）、吉布斯自由能计算（NEB）、分子动力学（MD）、有限元分析（FEA）、相场模拟（Phase-Field Model）等电池热/电/流场耦合模拟，解析微观机理、优化设计，为科研突破提供硬核数据支撑！

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【研究背景与核心问题】

锂硫电池凭借超高理论能量密度、硫原料储量丰富且成本低廉的固有优势，成为下一代可持续储能技术的核心候选方向，在高能量密度储能领域具备关键应用价值。传统锂硫电池发展受限于两大核心瓶颈：可溶性多硫化锂中间相的“穿梭效应”导致活性物质流失、循环寿命衰减；硫及放电产物的绝缘特性伴随氧化还原动力学迟缓，严重制约倍率性能。

现有解决方案多通过引入主体材料固定多硫化锂、添加催化组分加速反应，但主体与催化剂的复合会引入大量非活性质量，导致电池实际比容量和质量能量密度大幅降低，形成“循环寿命-实际能量密度”的固有矛盾。当前核心挑战在于：突破传统组分复合思路，开发兼具高效多硫化锂锚定、快速氧化还原催化能力，且低非活性质量的新型正极结构，实现锂硫电池高容量、长循环与高实际能量密度的协同优化。

【研究团队与技术手段】

深圳大学王丹领衔提出吸附-催化位点空间耦合设计理念，以sp-氮掺杂石墨炔（sp-N GDY）多壳结构（HoMSs）为硫主体，实现多硫化锂的高效锚定与快速催化转化。相关成果以Spatially coupled adsorption and catalysis for sustainable lithium-sulfur batteries为题发表于Nature Sustainability。

材料制备：通过改进型模板法结合Glaser–Hay偶联反应制备石墨炔多壳结构，以三聚氰胺为氮源经煅烧实现sp-氮掺杂，通过熔融扩散法实现硫的高负载；同步制备sp-氮掺杂石墨炔空心球、氨源掺杂石墨炔多壳结构作为对照体系。

结构表征：利用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）观察微观形貌；通过X射线衍射（XRD）、拉曼光谱分析晶体结构与缺陷特征；借助X射线吸收近边结构（XANES）、X射线光电子能谱（XPS）解析原子配位环境与成键状态；采用热重分析（TGA）测定硫负载量。

性能测试：组装扣式电池与软包电池，通过循环伏安法（CV）、恒电流充放电测试考核循环性能、倍率性能；利用电化学阻抗谱（EIS）分析电荷转移特性；通过多硫化锂吸附实验、Li₂S成核实验评估锚定与催化能力；结合原位拉曼、原位红外、原位紫外-可见光谱追踪电化学反应过程。

理论计算：基于密度泛函理论（DFT）模拟不同氮掺杂位点的电子结构，计算多硫化锂吸附结合能与氧化还原反应自由能垒；通过投影分波态密度分析轨道重叠特性，阐释电荷转移机制。

核心机制：sp-氮掺杂的吸附-催化协同作用

新型sp-N GDY HoMSs的性能突破源于sp-氮掺杂的电子调控与多壳结构的空间限域协同作用，具体可拆解为三方面：

吸附-催化位点的形成机制：sp-氮掺杂使石墨炔骨架中氮原子与相邻碳原子形成最优s、p轨道重叠，触发高效电子转移与电荷重分布，形成氮原子负极化、碳原子正极化的协同位点，既通过强相互作用锚定多硫化锂，又为氧化还原反应提供活性中心。

多硫化锂的转化路径：极化位点显著降低多硫化锂向Li₂S₂/Li₂S转化的能垒，其中Li₂S₄向Li₂S₂转化的决速步能垒大幅降低，加速多硫化锂的快速催化转化，从根源上抑制穿梭效应；同时，石墨炔本征高导电性保障电荷快速传输，提升反应动力学。

多壳结构的空间限域效应：sp-N GDY HoMSs的中空多壳结构提供充足内孔隙，容纳硫锂化过程的体积膨胀；离散壳层形成多重物理屏障，进一步限制多硫化锂的扩散；壳层间的互连网络缩短离子与质量扩散路径，促进全方向锂离子传输。

关键调控杠杆：定向优化正极性能

基于吸附-催化协同机制，研究通过多维度结构调控实现性能精准优化：

掺杂类型调控：遵循“轨道重叠-电荷极化”匹配准则，sp-氮掺杂相较吡啶氮、石墨氮掺杂，形成更强的多硫化锂吸附能力与更低的反应能垒，是实现吸附-催化协同的核心位点。

结构形貌调控：多壳结构（HoMSs）相较空心球（HSs）具备更大的比表面积、更多的吸附位点与更优的空间限域效果，显著提升硫负载量与循环稳定性。

工艺参数调控：优化模板刻蚀、煅烧温度与时间，保证sp-氮掺杂效率与多壳结构的完整性；调控熔融扩散的温度与时间，实现硫在主体内的均匀负载，提升活性物质利用率。

【研究成果与普适性意义】

核心性能突破

高硫负载与高容量：sp-N GDY HoMSs实现93.9%的超高硫负载率，0.1C下实现1462 mAh g_(S+host)⁻¹的近理论比容量，基于硫质量的初始放电比容量达1557 mAh g⁻¹，远超传统氮掺杂碳基主体体系。

优异倍率与长循环性能：在10C超高倍率下，电池能量密度保持1384.5 Wh kg_(S+host)⁻¹、功率密度达29457.4 W kg_(S+host)⁻¹，且稳定循环600圈；0.2C下循环100圈后，比容量仍保持1014.2 mAh g⁻¹，库伦效率接近100%。

高面负载与实用化性能：硫面负载提升至8.5 mg cm⁻²时，50圈后可逆面容量仍达7.2 mAh cm⁻²；组装的软包电池实现457 Wh kg⁻¹的高能量密度，且具备良好的柔性，折叠后仍可稳定供电。

高效吸附与催化特性：对多硫化锂具备强吸附能力，可快速实现Li₂S的成核与生长，Li₂S沉淀容量达418.9 mAh g⁻¹；电化学反应过程中电荷转移电阻显著降低，锂离子扩散系数远高于对照体系，氧化还原动力学大幅提升。

机制普适性：革新锂硫电池正极设计范式

吸附-催化位点空间耦合策略打破了传统锂硫电池“主体固定+催化剂加速”的二元复合思路，通过单一组分的电子结构调控，实现吸附与催化功能的一体化集成，从根源上解决了非活性质量过高的问题。该机制适用于碳基正极材料的杂原子掺杂改性，为解决不同类型锂硫电池正极的性能瓶颈提供了通用设计框架，推动锂硫电池正极从“组分复合”向“功能一体化”的范式转变。

实用化价值：助力锂硫电池规模化应用

相较于传统复合正极技术，吸附-催化位点空间耦合策略具有显著实用优势：

工艺兼容性强：采用液相合成、煅烧、熔融扩散等常规制备方法，无需特殊设备，原料易获取，与现有电池生产技术具备良好适配性。

体系扩展性好：通过调控杂原子掺杂类型、碳基材料形貌与结构，可定向设计适配高负载、高倍率、柔性储能等不同场景的锂硫电池正极体系。

综合能效优势：规避了传统正极对多种辅助组分的依赖，大幅降低非活性质量占比，同时提升活性物质利用率与循环稳定性，显著提升电池实际能量密度，具备规模化应用潜力。

【核心内容】

图 1 材料表征

a、b sp‑N GDY HoMS 的透射电镜图（a）与扫描电镜图（b）。标尺：500 nm（a），1 μm（b）。

c 纯 GDY HoMS、N 掺杂 GDY HoMS 与 sp‑N GDY HoMS 的拉曼光谱。

d N 掺杂 GDY HoMS 与 sp‑N GDY HoMS 的氮 K 边 X 射线近边吸收结构谱。

e、f sp‑N GDY HoMS 中 C 1s（e）与 N 1s（f）的高分辨 X 射线光电子能谱。

g、h 中心 sp‑N 位点（g）与边缘 sp‑N 位点（h）邻近氮原子 s、p 轨道的分态密度对比。

i S@sp‑N GDY HoMS 的扫描透射电镜‑能谱元素分布图。标尺：500 nm。

j、k S@GDY HoMS、S@N GDY HoMS、S@sp‑N GDY HS 与 S@sp‑N GDY HoMS 的 X 射线衍射图谱（j）与热重曲线（k）。

l sp‑N GDY HoMS 与 S@sp‑N GDY HoMS 的傅里叶变换红外光谱。

注：透射电镜（a）、扫描电镜（b）及扫描透射电镜‑能谱元素 mapping（i）均进行三次平行实验，结果相似。

PDOS：分态密度

图 2 锂硫扣式电池的电化学性能

a，0.2C 倍率下的充放电曲线。

b,c，锂硫电池的循环性能（b）与倍率性能（c）。所有电池均在 0.1C 下活化后进行测试。

d，S@sp-N GDY HoMS 正极经 0.1C、0.2C、0.5C、1C、2C、3C 逐级活化后，在 5C 和 10C 高倍率下的长循环性能。

e，与已报道锂硫电池在不同电流密度下的比容量对比。比容量基于硫与载体总质量计算，相关数值详见补充表 5。

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溶液的紫外 - 可见吸收光谱及实物照片（插图）。

b、S@sp-N GDY HoMS 材料在不同扫描速率下的循环伏安曲线。

c、锂硫电池中阳极氧化过程（A）与阴极还原过程（C1）对应的峰电流与扫描速率平方根的关系曲线。

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 正极的原位傅里叶变换红外光谱。

g、h、S@sp-N GDY HoMS 正极（g）与 S@GDY HoMS 正极（h）的原位紫外 - 可见光谱等高线图。

i、S@sp-N GDY HoMS 正极的原位电化学阻抗谱。

j、不同正极原位电化学阻抗谱的电阻变化。注：每种样品均组装两只电池并进行原位阻抗测试，数据以平均值 ± 标准误表示。

k、l、S@sp-N GDY HoMS 电极在不同充放电状态下的碳K 边（k）与硫 K 边（l）X 射线近边吸收结构谱。OCV：开路电压。

图 4 密度泛函理论（DFT）计算

a、中心型 sp 杂化氮（Cent‑sp‑N）、边缘型 sp 杂化氮（Side‑sp‑N）及吡啶氮（Pyri‑N）掺杂石墨炔（GDY）上多硫化锂（LiPSs）的优化吸附构型。

b、不同活性位点对硫物种的结合能数值。

c、不同活性位点上由 S₈还原生成 Li₂S 的放电过程吉布斯自由能计算值。

d、中心型 sp 杂化氮、边缘型 sp 杂化氮及吡啶氮掺杂石墨炔与Li₂S₄作用后的电荷密度分布；其中蓝色和黄色区域分别代表电荷密度的降低与升高。

图 5 锂硫软包电池的电化学性能

a、b 分别为经 0.05C 活化处理后，不同高硫负载量下S@sp-N GDY HoMS 正极在 0.1C 下的循环性能（a）与比容量对比（b）。

c 为 S@sp-N GDY HoMS 锂硫软包电池在 0.1C 下的长循环性能。

d 为软包电池的典型充放电电压曲线。

e 为 S@sp-N GDY HoMS 软包电池与已报道锂硫电池的重量能量密度对比。

【核心结论】

本研究通过sp-氮掺杂石墨炔多壳结构实现吸附与催化位点的空间耦合，成功解决了锂硫电池“循环寿命-实际能量密度”的固有矛盾。sp-氮与相邻碳原子的最优轨道重叠形成极化协同位点，同时实现多硫化锂的高效锚定与快速氧化还原催化，结合多壳结构的空间限域与体积缓冲效应，使电池在93.9%超高硫负载下仍保持近理论容量与优异循环稳定性，软包电池能量密度达457 Wh kg⁻¹，为锂硫电池的实用化奠定了关键基础。

该设计理念突破了传统储能材料的功能复合思路，通过单一组分的电子结构与微观结构协同调控，实现多功能一体化，其核心原则可拓展至金属-空气电池、燃料电池等其他下一代储能体系，为解决各类储能技术的性能权衡问题提供了通用策略，助力资源高效型全球能源转型。

文章来源链接：https://www.nature.com/articles/s41893-026-01794-y

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