锂硫电池因其极高的理论比容量（1672 mAh g-1）和硫资源丰富等优势，被视为下一代高能量密度储能体系的有力竞争者。然而，其实际应用仍受限于硫转化动力学缓慢和多硫化物穿梭效应。传统研究多聚焦于可溶性多硫化物（LiPSs）的液-固转化，而最后一个固-固转化步骤——从Li2S2到Li2S——才是真正的速率决定步骤，但其机制长期未被阐明。澳门大学Kwun Nam Hui团队联合中科院深圳先进技术研究院成会明院士，通过自旋态工程揭示了这一瓶颈的本质，并设计了高性能双金属掺杂MoS2催化剂。
研究团队通过密度泛函理论（DFT）计算和机器学习辅助催化剂筛选，首次发现Li2S2到Li2S转化过程中的自旋态转变是导致动力学迟滞的根本原因。通过构建包含65个描述符的特征空间，通过LASSO回归和SHAP分析，发现催化剂的自旋密度与反应吉布斯自由能ΔG呈强负相关，即自旋矩越高，固-固转化能垒越低。基于此，设计了一系列双过渡金属（V-Mn, V-Fe, V-Co, V-Ni, Mn-Fe, Mn-Co, Mn-Ni, Fe-Co, Fe-Ni, Co-Ni）掺杂的MoS₂催化剂。其中，Co,Ni-MoS₂具有最高的自旋矩，能够在活性位点形成自旋电子转移通道，将Li2S2到Li2S的ΔG从1.64 eV大幅降至-1.72 eV，同时将Li2S分解能垒从1.09 eV降至0.26 eV。实验表明，采用Co,Ni-MoS2的锂硫电池显著加速了固-固转化，抑制了多硫化物穿梭。组装的Ah级软包电池在贫电解液条件（E/S=3.2 µL mg-1）下实现了13.2 Ah的容量和435 Wh kg-1的高比能量。
图1 催化剂自旋矩与催化活性的关联。 a 机器学习辅助催化剂筛选流程；b-d 三种可能反应路径中Li2S2→Li2S的吉布斯自由能雷达图；e SHAP特征重要性分析（自旋密度为最关键参数）；f DFT计算与ML预测的ΔG对比（R2=0.93）；g 自旋矩与ΔG的负线性关系；h,i 无自旋极化MoS2（慢动力学）与高自旋Co,Ni-MoS2（快动力学）的催化机理对比。
图2 Co,Ni-MoS2的微观结构与自旋表征。 a-c SEM、TEM、HRTEM图像（晶格间距0.623 nm对应MoS₂(002)面）；d,e EDS元素分布（Mo、S、Co、Ni均匀分散）；f,g HAADF-STEM图像（红/绿圈标记单原子Co、Ni取代Mo位点）；h 线扫强度分布；i XRD图谱（保持2H相）；j-m XANES和EXAFS证实Co-S、Ni-S配位；n 小波变换分析；o,p 磁化率曲线计算有效磁矩（Co,Ni-MoS2：0.3632 > Co,Mn-MoS2：0.2681 > Co,V-MoS2：0.2130 > MoS₂：0.0304）。
图3 Li₂S₂与Li₂S氧化还原动力学及自旋态调控机制。 a PITT测试Li₂S成核电流响应；b PITT测试Li₂S分解电流响应；c 成核/分解容量与自旋矩呈正相关（Co,Ni-MoS₂：449.6/398.5 mAh g⁻¹ vs MoS₂：182.5/221.5 mAh g⁻¹）；d,e 原位XRD显示Co,Ni-MoS₂中Li₂S峰（26.7°）更快出现且强度更高；f-i Li⁺扩散能垒计算（Co,Ni-MoS₂：0.26 eV，远低于MoS₂的1.09 eV）；j-m DOS分析：无自旋MoS₂使Li₂S₂/Li₂S保持对称自旋态（仍存在自旋转变能垒），而Co,Ni-MoS₂诱导不对称自旋态，实现自旋-自旋跃迁通道，直接降低能垒。
图4 多硫化物吸附与穿梭抑制。 a Li₂S₆可视化吸附实验（Co,Ni-MoS₂溶液颜色最浅）及UV-vis光谱；b 对称电池CV曲线（Co,Ni-MoS₂电流响应最高）；c 峰值电流与极化电压对比；d-g Li₂S₄吸附差分电荷密度（Co,Ni-MoS₂中Li-S键电子密度最高）；h 不同温度下EIS Nyquist图；i Arrhenius拟合；j 活化能Eₐ（Co,Ni-MoS₂：9.79 kJ mol⁻¹，远低于MoS₂的22.45 kJ mol⁻¹）；k-n 原位拉曼光谱：MoS₂电池中多硫化物信号持续存在，而Co,Ni-MoS₂电池中信号迅速消失。
图5 锂硫电池电化学性能。 a,b 不同扫速CV曲线；c 倍率性能（Co,Ni-MoS₂在335、1675、6700 mA g-1下容量分别为1235、982、631 mAh g-1）；d,e 100圈充放电曲线对比（MoS₂ vs Co,Ni-MoS₂）；f 循环性能（Co,Ni-MoS₂：100圈后1077.5 mAh g-1）；g 500圈长循环（3350 mA g-1，Co,Ni-MoS₂保持595.1 mAh g-1）；h 软包电池循环性能（13.2 Ah，435 Wh kg-1，E/S=3.2 µL mg-1）。
结论展望：
这项研究首次从自旋态转变的角度揭示了锂硫电池中固-固转化（Li₂S₂→Li₂S）动力学迟滞的根本原因，突破了传统以吸附能、d带中心为核心的催化设计范式。通过机器学习筛选出自旋密度作为关键描述符，并设计出高自旋矩的Co,Ni-MoS2催化剂，成功在活性位点构建自旋电子转移通道，将决速步能垒大幅降低。实验证明，该催化剂不仅加速了Li2S的成核与分解，还显著抑制了多硫化物穿梭。所组装的13.2 Ah软包电池实现了435 Wh kg-1的高比能量，在实用化进程中迈出重要一步。这一“自旋调控”策略不仅为锂硫电池的高效催化剂设计提供了全新思路，也为其他涉及多电子、多硫化物转化的体系（如镁硫、钠硫电池）开辟了新的研究方向。
Breaking the rate limiting barrier in lithium||sulfur batteries via spin state engineering. Nature Communications, 2026;
https://doi.org/10.1038/s41467-026-70974-3
本期投稿：LJY
本期编辑：LRS
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