深圳大学王丹/于然波团队在 Nature Sustainability 发表研究成果:空间耦合吸附与催化助力高比能长寿命锂硫电池

2026 年 3 月 30 日，深圳大学王丹、于然波团队与合作者在 Nature Sustainability （影响因子27.1，中科院JCR 1区，TOP期刊）发表题为“Spatially coupled adsorption and catalysis for sustainable lithium-sulfur batteries”的研究论文。该工作围绕锂硫电池长期面临的关键瓶颈：高比能与长寿命难以兼顾。研究团队提出了一种新的材料设计思路：在 sp-N 掺杂石墨炔中空多壳层结构（sp-N GDY HoMS）内部，构建吸附位点与催化活性区域的空间耦合，从而在尽量减少非活性质量引入的同时，实现对多硫化物转化过程的高效调控。

锂硫电池具有极高的理论能量密度和丰富低成本的硫资源，被广泛视为下一代高比能储能体系的重要候选者。然而，其实际应用一直受到几个核心问题制约：一是多硫化物穿梭效应导致活性物质流失；二是硫及放电产物导电性差、反应动力学缓慢；三是为抑制穿梭和提升反应速率而额外引入的大量宿主材料或催化组分，往往又会带来额外非活性质量，反过来削弱器件的实际能量密度。如何在结构限域、化学吸附、催化转化与质量控制之间取得平衡，是锂硫电池走向实用化必须回答的问题。

针对上述难题，研究团队构筑了由纳米薄片组装而成的 sp-N GDY HoMS。通过 sp-N 位点与其邻近碳原子之间形成的局域电子结构调控，建立对多硫化物更有利的吸附—催化协同区域；同时借助多壳层中空结构提供分级限域空间、体积缓冲以及快速传输通道。

研究亮点

空间耦合设计：研究团队构筑了由纳米薄片组装的sp-N GDY HoMS。多壳层中空结构提供了高硫负载、体积缓冲与多级限域环境，通过sp-N与邻近碳原子之间更有利的轨道重叠和电荷重分布，在材料内部形成对多硫化物更敏感的极化活性区域。负极性的sp-N位点与邻近碳位点可协同参与多硫化物的锚定与转化，既增强中间体吸附，又促进其后续氧化还原反应，从而实现真正意义上的空间耦合吸附与催化。

性能突破：该体系实现了93.9%的超高硫负载，获得1462 mAh g⁻¹ (S+host)的近理论容量；在10C条件下仍保持1384.5 Wh kg⁻¹ (S+host)的能量密度，并稳定循环600圈；在软包电池层面，器件能量密度达到约457 Wh kg⁻¹，显示出良好的实际应用潜力。

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

理论计算揭示空间耦合吸附—催化协同

软包电池性能验证

工作意义

这项工作并不仅仅是将某一项性能指标进一步推高，而是明确回答了锂硫电池领域一个长期难题：在不显著增加非活性质量的前提下，如何同时获得高能量密度与长循环寿命。研究团队提出的并不是一种简单的多功能载体概念，而是一种更精细的局域位点—层级结构协同设计范式：在材料内部通过精确调控吸附位点与催化活性区域的空间关系，使多硫化物吸附和反应动力学增强能够同时实现。该思路有望推广到更多高比能电池化学体系，为下一代可持续储能器件的发展提供结构—电子协同设计思路。

以上研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、深圳大学2035卓越科研计划、深圳市优秀科技创新人才培养等经费的大力支持。

论文信息

论文题目：Spatially coupled adsorption and catalysis for sustainable lithium–sulfur batteries

第一作者：Ruyi Bi

通讯作者：王丹、于然波、王江艳、李亮、梁正

期刊：Nature Sustainability

DOI：10.1038/s41893-026-01794-y