锂 - 硫电池因超高的理论能量密度、硫原料储量丰富且成本低廉，成为极具发展前景的下一代可持续储能技术，但实际应用中受多方面问题制约：可溶性多硫化锂的穿梭效应、锂化过程中的体积膨胀会降低活性材料利用率并缩短循环寿命，硫及其放电产物的绝缘特性与氧化还原动力学迟缓则严重限制倍率性能，而现有为解决上述问题引入的主体材料与催化剂又会带来无效质量过高的问题，导致电池比容量和质量能量密度受损，如何设计兼具高效催化、限域能力且不牺牲体系能量输出的多功能材料，成为锂 - 硫电池从实验室原型走向工业化应用的关键难题。
近日，深圳大学王丹、于然波、苏州大学李亮、上海交通大学梁正、中国科学院过程工程研究所王江艳团队设计了 sp - 氮掺杂石墨炔多壳层结构，将吸附位点与催化位点进行空间耦合，该结构依托独特的 sp²-sp 杂化碳骨架实现对多硫化锂的强吸附，且 sp - 氮与相邻碳原子间的优异轨道重叠能触发高效电子转移和电荷重分布，形成的高密度极化位点可同步强化多硫化锂锚定并催化其向 Li₂S₂/Li₂S 转化，同时其多壳层框架能实现锂离子全向扩散并提供分级空间限域以抑制多硫化锂穿梭；该正极实现 93.9% 的超高硫负载率，在 0.1C 下获得 1462 mAh g_(S + 主体)⁻¹ 的近理论比容量，10C 下循环 600 次仍保持 1384.5 Wh kg_(S + 主体)⁻¹ 的能量密度，组装的软包电池能量密度达 457 Wh kg⁻¹，还通过原位表征结合密度泛函理论计算揭示了其构效关系，为高能量密度、资源高效型锂 - 硫电池的商业化提供了可拓展的设计方案，也为其他下一代储能体系的性能优化提供了通用策略。
该成果以 “Spatially coupled adsorption and catalysis for sustainable lithium–sulfur batteries” 为题发表在 “Nature Sustainability” 期刊，第一作者是Bi Ruyi。
【工作要点】
本文开发出 sp - 氮掺杂石墨炔多壳层结构正极材料，通过改良的顺序模板法结合 Glaser–Hay 偶联反应完成制备，经表征证实该材料具有丰富的垂直层状壁结构，sp - 氮的引入带来大量结构缺陷并实现轨道高效重叠，还能通过偶极 - 偶极作用强化对多硫化锂的吸附，硫熔融扩散法实现 93.9% 的超高硫负载率，远高于未掺杂的石墨炔多壳层结构，为电池高能量密度奠定材料基础。
该正极材料展现出优异的电化学性能，在 0.1C 下实现 1462 mAh g_(S + 主体)⁻¹ 的近理论比容量，0.2C 循环 100 次后仍保持 1014.2 mAh g⁻¹ 的高容量，倍率性能突出且在电流恢复后容量可高效回弹，10C 下实现 1384.5 Wh kg_(S + 主体)⁻¹ 的能量密度和 29457.4 W kg_(S + 主体)⁻¹ 的功率密度，还能稳定循环 600 次，远优于氮掺杂石墨炔空心球、氨源氮掺杂石墨炔多壳层结构等对比材料。
原位表征与密度泛函理论计算揭示了材料的构效关系，sp - 氮与相邻碳原子的轨道重叠实现高效电子转移和电荷重分布，大幅降低多硫化锂转化的能垒，加速 Li₂S 成核与生长，同时多壳层结构提供分级空间限域，抑制多硫化锂穿梭并缩短离子扩散路径，高硫负载软包电池实现 457 Wh kg⁻¹ 的能量密度，该空间耦合吸附与催化位点的设计策略，为锂 - 硫电池商业化提供了可拓展方案，也适用于金属 - 空气电池、燃料电池等其他下一代储能体系。
【结论】本研究为可持续硫正极构建了空间耦合吸附 - 催化位点的设计理念，有效解决了锂 - 硫电池中循环寿命与实际能量密度之间的固有矛盾。结合原位表征与理论模拟可知，sp - 氮与相邻碳原子间实现了最优的 s、p 轨道重叠，引发了显著的电子转移与电荷重分布，形成的带负电 sp - 氮和带正电碳原子作为协同中心，可同时抑制多硫化锂穿梭并加速氧化还原动力学。sp - 氮的掺入进一步提升了材料的电子导电性，石墨炔纳米片基元则促进了锂离子的快速传输，而多壳层结构缩短了扩散路径，还能提供分级空间限域以实现对多硫化锂的高效固定。基于此，sp - 氮掺杂石墨炔多壳层结构正极展现出优异的容量与循环稳定性，所制备的软包电池实现了 457 Wh kg⁻¹ 的能量密度，这一数值成为高性能、资源高效型储能电池商业化的关键基准。本研究为开发兼具高能量密度与长循环寿命的实用化、可持续锂 - 硫电池奠定了坚实基础，同时预见单主体内空间耦合锚定位与催化中心的设计原则可突破锂 - 硫电池体系的限制，为金属 - 空气电池、燃料电池等其他下一代储能系统解决性能权衡问题提供通用策略。通过搭建分子级工程与体系级实用性之间的桥梁，本研究的相关发现为资源高效型的全球能源转型提供了可拓展的技术路径。
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