深圳大學王丹/于然波教授《Nature》大子刊：助力高比能長壽命鋰硫電池

第一作者：Ruyi Bi

通訊作者：王丹、于然波、王江艷、李亮、梁正

通訊單位：深圳大學與合作單位

論文DOI：10.1038/s41893-026-01794-y

鋰硫電池因兼具極高理論能量密度、硫資源豐富、成本低廉和可持續性突出等優勢，被廣泛認為是下一代高比能儲能技術的重要候選體系。然而，其實際應用長期受制于兩個彼此耦合的瓶頸：一方面，多硫化物中間體易溶解并發生穿梭，導致活性物質流失和循環壽命衰減；另一方面，硫及其放電產物導電性差、反應動力學遲緩，限制了倍率性能和高負載條件下的有效利用率。更棘手的是，傳統通過引入額外載體或催化劑來增強穩定性的策略，往往會顯著增加非活性質量，從而削弱基于總電極質量的實際能量密度。也就是說，鋰硫電池領域長期存在一個核心矛盾：越想要長壽命，越容易犧牲高比能；越想追求高比能，越難維持長期穩定。

日前，深圳大學王丹/于然波教授與合作者在Nature Sustainability期刊發表題為“Spatially coupled adsorption and catalysis for sustainable lithium-sulfur batteries”的研究論文。該工作構建了sp-N摻雜石墨炔中空多殼層結構（sp-N GDY HoMS），通過在同一載體中實現多硫化物吸附位點與催化位點的空間耦合，系統解決了鋰硫電池中高比能與長壽命難以兼顧的關鍵問題。該體系實現了93.9%的超高硫負載、基于硫與HoMS總質量的1462 mAh g?1近理論容量、10C條件下1384.5 Wh kg?1的能量密度與600圈穩定循環，并在軟包電池中實現約457 Wh kg?1的器件級能量密度。

圖1｜材料表征：中空多殼層結構與sp-N電子結構協同構筑高效載體

TEM和SEM結果表明，sp-N GDY HoMS由納米薄片組裝而成，具有清晰的中空多殼層形貌和垂直層狀壁結構；這一結構為高硫負載、體積變化緩沖和多級空間限域提供了物理基礎。Raman、XANES和XPS結果進一步表明，材料中成功引入了sp-N位點，且sp-N在總氮中占比約為17%。理論計算顯示，Cent-sp-N位點的s,p軌道與石墨炔骨架之間具有更優的軌道重疊，可顯著促進電子轉移與電荷重分布。與此同時，硫在中空多殼層內部均勻分布，且與載體之間存在較強相互作用。該圖所體現的關鍵點在于：本工作并非簡單構筑了一個載硫中空骨架，而是通過“中空結構限域 + sp-N電子調控”的協同設計，建立了一個兼具結構承載與反應調控能力的高效平臺。

圖2｜鋰硫電池的電化學性能：在高硫負載下同時實現高容量、優異倍率與長循環

這項工作所解決的核心問題是：穩定性提升不再以犧牲實際能量密度為代價。在0.2C條件下，sp-N GDY HoMS電極表現出更低的極化和更高的放電平臺，顯示出更快的硫氧化還原動力學；在0.2C循環100圈后，容量仍保持1014.2 mAh g?1。倍率測試中，該體系在0.2C、0.5C、1C、2C和 5C下分別實現1380.7、1115.0、1014.8、941.8和850.6 mAh g?1，當倍率恢復至0.2C后，容量可回升至1140.0 mAh g?1。更重要的是，在更嚴格的“硫+HoMS總質量”統計下，該體系仍實現1462 mAh g?1的近理論容量，并在10C條件下維持1384.5 Wh kg?1的能量密度和600 圈穩定循環。這表明本工作真正突破的是鋰硫電池長期存在的結構性矛盾：在不顯著增加非活性質量的前提下，同時實現高比能輸出與長循環壽命。

圖3｜多硫化物的化學吸附與原位表征：吸附不是終點，快速轉化才是解決穿梭與失活的關鍵

Li?S? 吸附實驗和紫外-可見吸收結果表明，sp-N GDY HoMS對多硫化物具有最強的吸附能力，能夠更有效抑制穿梭效應；但其價值并不止于“吸附更強”。CV、擴散行為分析和Li?S沉積實驗進一步表明，該體系具有更高的Li?擴散能力和更大的Li?S沉積容量，說明其能夠顯著促進液-固轉化和后續反應動力學。原位Raman、原位FTIR、原位UV–vis和原位EIS則共同顯示，在充放電全過程中，該體系具有更低的中間體濃度、更小的界面電荷轉移阻力和更平穩的阻抗演化。也就是說，本工作解決的并不是“能否困住中間體”的局部問題，而是進一步實現了多硫化物從被錨定到被快速轉化的連續協同，避免中間體在界面積累并演化為新的反應障礙。

圖4｜理論計算：中空結構與sp-N位點共同支撐吸附—催化協同

計算結果表明，Cent-sp-N和Side-sp-N位點對Li?S?中間體具有更強的吸附能力，可形成穩定的N–Li與C–S相互作用；同時，在硫還原路徑中，Li?S?向 Li?S?的轉化是關鍵速率決定步驟，而sp-N摻雜可將該步驟的自由能壘降低至0.25–0.31 eV，明顯低于吡啶氮和石墨氮體系。電荷密度差分結果還顯示，sp-N的引入誘導了明顯的局域電子積累與電荷再分布，增強了離子/電子協同傳輸能力。由此可見，本工作的重要意義不僅在于提出了一個性能優異的中空載體，更在于建立了一個從中空多殼層結構傳輸/限域到sp-N 位點電子調控，再到吸附—催化協同反應路徑的完整設計邏輯。

圖5｜軟包電池驗證實際應用潛力

這項工作的突出價值已不局限于材料和扣式電池層面，而是進一步邁向了器件級驗證。在較高硫面載量條件下，該體系在4.0–8.5 mg cm?2的范圍內實現了最高7.2 mAh cm?2的可逆面積容量，說明中空多殼層載體在高負載工況下仍具有較高的活性物質利用率。進一步組裝的鋰硫軟包電池，在低電解液/硫比和有限鋰負極條件下，實現了約457 Wh kg?1的能量密度；補充數據還給出了兩組軟包電池的計算結果，其中一組為383.8 Wh kg?1，更大容量器件達到約457 Wh kg?1。同時，器件在彎折狀態下仍可穩定點亮LED屏。對于高比能、長壽命、資源高效的下一代儲能器件而言，這一點具有尤為重要的現實意義。

總結與展望

這項工作最重要的價值，并不只是將某一項指標推高，而是從材料設計層面回答了鋰硫電池領域一個長期未被真正解決的問題：如何在不顯著增加非活性質量的前提下，同時獲得高能量密度與長循環壽命。研究團隊提出的答案是：以中空多殼層結構構建高效限域與快速傳輸環境，以sp-N位點建立局域電子調控中心，再通過吸附位點與催化位點的空間耦合，讓多硫化物在同一載體中完成“被錨定—被轉化—被高效利用”的連續反應過程。

從更廣的層面看，這項工作并不僅屬于鋰硫電池本身。論文指出，這一“空間耦合吸附與催化”的設計理念，為高性能、資源高效的電池化學提供了可推廣藍圖。這項研究的意義正在于：它證明了高性能與資源效率并非不可兼得，下一代高比能儲能體系完全可以通過更精細的結構—電子協同設計，同時實現性能突破與可持續價值。

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝論文作者團隊支持。

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