第一作者：Ruyi Bi
通讯作者：王丹、于然波、王江艳、李亮、梁正
通讯单位：深圳大学与合作单位
论文DOI：10.1038/s41893-026-01794-y
背景介绍
锂硫电池因兼具极高理论能量密度、硫资源丰富、成本低廉和可持续性突出等优势，被广泛认为是下一代高比能储能技术的重要候选体系。然而，其实际应用长期受制于两个彼此耦合的瓶颈：一方面，多硫化物中间体易溶解并发生穿梭，导致活性物质流失和循环寿命衰减；另一方面，硫及其放电产物导电性差、反应动力学迟缓，限制了倍率性能和高负载条件下的有效利用率。更棘手的是，传统通过引入额外载体或催化剂来增强稳定性的策略，往往会显著增加非活性质量，从而削弱基于总电极质量的实际能量密度。也就是说，锂硫电池领域长期存在一个核心矛盾：越想要长寿命，越容易牺牲高比能；越想追求高比能，越难维持长期稳定。
2026年03月30日，深圳大学王丹/于然波教授与合作者在Nature Sustainability期刊发表题为“Spatially coupled adsorption and catalysis for sustainable lithium-sulfur batteries”的研究论文。该工作构建了sp-N掺杂石墨炔中空多壳层结构（sp-N GDY HoMS），通过在同一载体中实现多硫化物吸附位点与催化位点的空间耦合，系统解决了锂硫电池中高比能与长寿命难以兼顾的关键问题。该体系实现了93.9%的超高硫负载、基于硫与HoMS总质量的1462 mAh g⁻¹近理论容量、10C条件下1384.5 Wh kg⁻¹的能量密度与600圈稳定循环，并在软包电池中实现约457 Wh kg⁻¹的器件级能量密度。
图文解析
图1｜材料表征：中空多壳层结构与sp-N电子结构协同构筑高效载体
TEM和SEM结果表明，sp-N GDY HoMS由纳米薄片组装而成，具有清晰的中空多壳层形貌和垂直层状壁结构；这一结构为高硫负载、体积变化缓冲和多级空间限域提供了物理基础。Raman、XANES和XPS结果进一步表明，材料中成功引入了sp-N位点，且sp-N在总氮中占比约为17%。理论计算显示，Cent-sp-N位点的s,p轨道与石墨炔骨架之间具有更优的轨道重叠，可显著促进电子转移与电荷重分布。与此同时，硫在中空多壳层内部均匀分布，且与载体之间存在较强相互作用。该图所体现的关键点在于：本工作并非简单构筑了一个载硫中空骨架，而是通过 “中空结构限域 + sp-N电子调控” 的协同设计，建立了一个兼具结构承载与反应调控能力的高效平台。
图2｜锂硫电池的电化学性能：在高硫负载下同时实现高容量、优异倍率与长循环
这项工作所解决的核心问题是：稳定性提升不再以牺牲实际能量密度为代价。 在0.2C条件下，sp-N GDY HoMS电极表现出更低的极化和更高的放电平台，显示出更快的硫氧化还原动力学；在0.2C循环100圈后，容量仍保持1014.2 mAh g⁻¹。倍率测试中，该体系在0.2C、0.5C、1C、2C和 5C下分别实现1380.7、1115.0、1014.8、941.8和850.6 mAh g⁻¹，当倍率恢复至0.2C后，容量可回升至1140.0 mAh g⁻¹。更重要的是，在更严格的“硫+HoMS总质量”统计下，该体系仍实现1462 mAh g⁻¹的近理论容量，并在10C条件下维持1384.5 Wh kg⁻¹的能量密度和600 圈稳定循环。这表明本工作真正突破的是锂硫电池长期存在的结构性矛盾：在不显著增加非活性质量的前提下，同时实现高比能输出与长循环寿命。
图3｜多硫化物的化学吸附与原位表征：吸附不是终点，快速转化才是解决穿梭与失活的关键
Li₂S₆ 吸附实验和紫外-可见吸收结果表明，sp-N GDY HoMS对多硫化物具有最强的吸附能力，能够更有效抑制穿梭效应；但其价值并不止于“吸附更强”。CV、扩散行为分析和Li₂S沉积实验进一步表明，该体系具有更高的Li⁺扩散能力和更大的Li₂S沉积容量，说明其能够显著促进液-固转化和后续反应动力学。原位Raman、原位FTIR、原位UV–vis和原位EIS则共同显示，在充放电全过程中，该体系具有更低的中间体浓度、更小的界面电荷转移阻力和更平稳的阻抗演化。也就是说，本工作解决的并不是“能否困住中间体”的局部问题，而是进一步实现了多硫化物从被锚定到被快速转化的连续协同，避免中间体在界面积累并演化为新的反应障碍。
图4｜理论计算：中空结构与sp-N位点共同支撑吸附—催化协同
计算结果表明，Cent-sp-N和Side-sp-N位点对Li₂Sₙ中间体具有更强的吸附能力，可形成稳定的N–Li与C–S相互作用；同时，在硫还原路径中，Li₂S₄向 Li₂S₂的转化是关键速率决定步骤，而sp-N掺杂可将该步骤的自由能垒降低至0.25–0.31 eV，明显低于吡啶氮和石墨氮体系。电荷密度差分结果还显示，sp-N的引入诱导了明显的局域电子积累与电荷再分布，增强了离子/电子协同传输能力。由此可见，本工作的重要意义不仅在于提出了一个性能优异的中空载体，更在于建立了一个从中空多壳层结构传输/限域到sp-N 位点电子调控，再到吸附—催化协同反应路径的完整设计逻辑。
图5｜软包电池验证实际应用潜力
这项工作的突出价值已不局限于材料和扣式电池层面，而是进一步迈向了器件级验证。在较高硫面载量条件下，该体系在4.0–8.5 mg cm⁻²的范围内实现了最高7.2 mAh cm⁻²的可逆面积容量，说明中空多壳层载体在高负载工况下仍具有较高的活性物质利用率。进一步组装的锂硫软包电池，在低电解液/硫比和有限锂负极条件下，实现了约457 Wh kg⁻¹的能量密度；补充数据还给出了两组软包电池的计算结果，其中一组为383.8 Wh kg⁻¹，更大容量器件达到约457 Wh kg⁻¹。同时，器件在弯折状态下仍可稳定点亮LED屏。对于高比能、长寿命、资源高效的下一代储能器件而言，这一点具有尤为重要的现实意义。
总结与展望
这项工作最重要的价值，并不只是将某一项指标推高，而是从材料设计层面回答了锂硫电池领域一个长期未被真正解决的问题：如何在不显著增加非活性质量的前提下，同时获得高能量密度与长循环寿命。 研究团队提出的答案是：以中空多壳层结构构建高效限域与快速传输环境，以sp-N位点建立局域电子调控中心，再通过吸附位点与催化位点的空间耦合，让多硫化物在同一载体中完成“被锚定—被转化—被高效利用”的连续反应过程。
从更广的层面看，这项工作并不仅属于锂硫电池本身。论文指出，这一“空间耦合吸附与催化”的设计理念，为高性能、资源高效的电池化学提供了可推广蓝图。这项研究的意义正在于：它证明了高性能与资源效率并非不可兼得，下一代高比能储能体系完全可以通过更精细的结构—电子协同设计，同时实现性能突破与可持续价值。
原文信息
论文题目：Spatially coupled adsorption and catalysis for sustainable lithium–sulfur batteries
作者：Ruyi Bi, Jiangyan Wang, Jiawei Wan, Lijuan Zhang, Mingzi Sun, Bolong Huang, Boquan Li, Zheng Liang, Yasong Zhao, Liang Li, Ranbo Yu, Dan Wang
期刊：Nature Sustainability
DOI：10.1038/s41893-026-01794-y
