457 Wh kg-1锂硫电池!深圳大学/中科院过程所/上交大/苏州大学,今日Nature sustainability!
- 2026-04-16 06:18:04
锂硫电池因其高理论能量密度和硫的低成本、高丰度及可回收性，成为极具前景的下一代储能技术。然而，其实用化面临两大核心挑战，可溶性多硫化锂的“穿梭效应”及锂化过程中的体积膨胀，导致活性物质损失和循环寿命下降。同时，硫及其放电产物的绝缘性和缓慢的氧化还原动力学，严重制约倍率性能。
为应对这些问题，研究者发展了多种复合宿主材料，其中中空多壳层结构（HoMS）展现出独特优势，内部空腔可容纳硫的体积膨胀，多壳层提供物理屏障和吸附位点以抑制穿梭效应，互联网络则缩短离子/电子传输路径，促进快速氧化还原反应。然而，单纯依赖宿主材料仍难以完全抑制高硫载量下的多硫化物穿梭，其缓慢的转化动力学常导致中间体积累，因此近年来引入了金属基催化剂以加速反应动力学。但上述策略面临关键矛盾：辅助宿主和催化剂的引入增加了大量非活性质量，按正极总质量计算时会显著降低能量密度。因此，如何在保证高效催化和限域功能的同时最小化非活性组分占比，成为实现高能量密度锂硫电池必须解决的核心科学挑战。
【工作介绍】
在此，深圳大学王丹教授，于然波教授，中国科学院过程工程研究所王江艳研究员，上海交通大学梁正教授，苏州大学李亮教授等人通过在一种sp-氮掺杂的石墨炔多壳层结构中空间耦合吸附位点与催化位点，解决了这一难题。该设计实现了高达93.9%的硫载量，达到了接近理论值的1462 mAh g(S+host)-1的容量，并实现了约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1384.5 Wh kg(S+host)-1的能量密度。同时，原位光谱表征和理论计算表明，sp-氮与邻近碳之间有利的轨道重叠促进了快速的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。通过最小化非活性物质的质量，这项工作为高性能、资源节约型电池化学体系提供了一个可扩展的蓝图。
相关研究成果以“Spatially coupled adsorption and catalysis for sustainable lithium–sulfur batteries”为题发表在Nature sustainability上。
【内容表述】
材料合成与表征
sp-氮掺杂石墨炔中空多壳层结构（sp-N GDY HoMS）通过Glaser–Hay偶联反应结合序贯模板法制备，以CuO HoMS为模板，经还原、原位生长GDY纳米片、蚀刻模板及三聚氰胺煅烧掺杂等步骤获得。其中，TEM和SEM显示其壳层由垂直层状纳米片构成，形成独特的多壳层结构。XRD仅观察到碳的特征宽峰，拉曼光谱中较高的ID/IG比表明存在大量结构缺陷。XANES和XPS分析证实了sp-N的成功掺杂，其在总氮中占比约17%。DFT计算表明，sp-N位点与GDY骨架间优异的s、p轨道重叠促进了高效电子转移，并激活邻近碳原子，为多硫化物提供更多活性位点。通过熔融扩散法可实现高达93.9%的硫载量，TEM和元素面分布证实硫在HoMS内腔均匀负载。此外，FTIR中C–N和C–S振动的红移揭示了硫与宿主间的强相互作用。
图1. 材料表征。
进一步基于sp-N GDY HoMS宿主材料，研究系统评估了S@sp-N GDY HoMS正极在锂硫电池中的电化学性能。循环伏安测试显示，该正极具有最小的电位差和最高的峰值电流强度，且多次循环后峰形与电流几乎不变，表明其极化程度低、反应动力学快且可逆性优异。在0.2C倍率下，其充放电曲线呈现典型双平台特征，容量显著高于对照样品。循环性能方面，该正极在0.1C时基于硫和宿主总质量的初始容量高达1462 mAh g-1，优于已报道值。在0.2C下循环100次后仍保持1014.2 mAh g-1的高容量。倍率性能测试表明，该电极在0.2C至5C范围内均表现出最高容量，且当倍率恢复后容量可有效恢复。在10C高倍率下，该体系仍能稳定循环600次，并实现1384.5 Wh kg-1的能量密度和29457.4 W kg-1的功率密度，综合性能优于现有报道。
图2. Li-S扣电电化学性能表征。
多硫化物的化学吸附
吸附实验表明，sp-N GDY HoMS对Li2S6具有强吸附能力，UV-vis光谱证实其能高效捕获多硫化物。CV测试显示，sp-N GDY HoMS电极的Li+扩散系数显著更高，扩散能垒低至0.28 eV，有利于快速离子传输。对称电池CV和Li2S沉积实验进一步证明，sp-N掺杂有效促进了多硫化锂的可逆转化及Li2S的成核与生长。原位拉曼光谱揭示，S@sp-N GDY HoMS正极在放电结束时多硫化物信号完全消失，充电后仅检测到S，表明可逆性优异。而对比体系在充放电后仍有残留，存在穿梭效应。原位FTIR显示C=N和C–S振动贯穿全过程，证实宿主与多硫化物强键合。原位UV-vis和EIS表明，该体系具有更低的多硫化物浓度和更小的电荷转移电阻，且固-液-固转化动力学稳定。XANES分析进一步证实Li2S可被可逆氧化为S，与宿主保持强相互作用。
图3. 多硫化物的化学吸附及原位表征。
DFT计算
为了进一步理解sp-N GDY HoMS性能增强效应的机理，进行了DFT计算。图4a展示了Li2Sx在未掺杂GDY和不同N掺杂GDY上的优化稳定吸附构型。显然，Cent-sp-N和Side-sp-N都对多硫化锂分子表现出更强的吸附能力，形成稳定的N-Li和C-S键。相比之下，未掺杂GDY和石墨N掺杂GDY对多硫化锂的吸附要弱得多，形成的键也几乎不稳定。这些结果表明，sp-N的引入可以显著增强对多硫化锂的吸附并抑制穿梭效应。图4c展示了放电过程中从S到Li2S逐步转化的吉布斯自由能，结果表明sp-N掺杂在热力学上更有利于硫的还原。此外，sp-N掺杂模型具有更高的电荷密度以及更明显的电子积累与还原，这进一步证明了sp-N GDY HoMS上电化学反应过程中离子和电子转移的增强。
图4. 理论计算。
实际应用可行性
为了证明sp-N GDY HoMS在实际应用中的潜力，有必要在高硫载量、低电解液/硫（E/S）比和有限锂负极条件下进行性能研究。基于S@sp-N GDY HoMS正极组装并测试了锂硫软包电池，其正极具有高面积载量（≥4 mAh cm-2）、低电解液/硫比（<3.0）和有限锂金属负极（约2倍过量锂金属）（图5c、d）。充放电曲线显示出稳定的平台，表明sp-N GDY HoMS宿主在维持优异可逆电化学反应方面具有结构优势。软包电池的能量密度估计为383.8 Wh kg-1。该软包电池可循环超过160次，表明S@sp-N GDY HoMS具有稳定的循环容量。此外，还组装了具有更高正极面积载量（9.84 mAh cm-2）和总容量超过4.2 Ah的更大尺寸软包电池，其显示出约457 Wh kg-1的极高能量密度，并稳定循环超过20次。此外，尽管经历了一系列从0°到180°的折叠操作，锂硫软包电池仍能轻松点亮带有“HoMS”图案的LED屏幕。这些结果表明，sp-N GDY HoMS在高性能、实际可行的锂硫电池中具有巨大前景。
图5. 软包电池性能。
【全文总结】
综上所述，本文的工作为开发兼具高能量密度与长循环寿命的实用化、可持续锂硫电池建立了坚实的框架。预期在单一宿主材料中空间耦合锚定位点与催化位点的设计原则，将超越锂硫化学体系，为其他下一代能源系统（包括金属-空气电池和燃料电池）中性能权衡问题的解决提供一种普适性策略。通过弥合分子层面工程与系统层面可行性之间的差距，这些见解为实现资源节约型的全球能源转型提供了一条可规模化的发展路径。
【文献信息】
Ruyi Bi, Jiangyan Wang, Jiawei Wan, Lijuan Zhang, Mingzi Sun, Bolong Huang, Boquan Li, Zheng Liang, Yasong Zhao, Liang Li, Ranbo Yu& Dan Wang*, Spatially coupled adsorption and catalysis for sustainable lithium–sulfur batteries, Nature sustainability, https://doi.org/10.1038/s41893-026-01794-y
