研究背景

全固态锂硫（Li-S）电池（ASSLSBs）不仅从根源上消除了多硫化物的穿梭效应，还具备本征安全性优势，被认为是一种极具前景的下一代储能技术。然而，ASSLSBs仍面临严峻挑战，特别是固相S₈/Li₂S转化过程中的高反应能垒和缓慢的氧化还原动力学，导致硫的利用率低下。为克服这些障碍，研究人员已经探索了多种策略，包括纳米化S₈/Li₂S、引入新型碳载体材料、使用氧化还原介质或电催化剂。尽管在提高ASSLSBs的容量和循环性能方面取得了一定进展，但全固态S₈/Li₂S的氧化还原机制仍不清楚。以往的研究通常假定ASSLSBs会经历S₈的一步还原反应，不生成任何中间产物；然而，最近的证据表明存在Li₂S₂中间产物，并认为部分S₈最终仅被还原为Li₂S₂。值得注意的是，Li₂S₂到Li₂S的转化贡献了Li-S电池理论容量的一半，而ASSLSBs中的转化反应往往是不完全的。因此，充分挖掘硫的转化容量具有重要意义。引入电催化剂以降低反应能垒并提高硫正极的氧化还原动力学提供了一种有前景的解决方案。然而，关于ASSLSBs的催化研究尚处于起步阶段，其催化机制仍未被充分理解。一些液态Li-S电池的催化剂已被直接应用于ASSLSBs中，但关键的固相催化挑战以及与液相体系的根本差异往往被忽略。特别是，由于固体反应物和固态电解质无法在催化剂表面自由扩散，吸附在特定活性位点上的硫物种被牢牢固定，几乎无法解吸并转移至其他位点；同时，Li⁺的传输也受到很大限制，这与液态锂硫催化形成鲜明对比。因此，催化剂表面丰富的电活性位点和快速的Li⁺扩散对于在ASSLSBs中实现充分的硫转化是必不可少的。

文章简介

近日，来自天津大学的杨全红教授、杨春鹏教授与郑州大学的张旭研究员、苏州大学的张亮教授合作，在国际知名期刊National Science Review上发表题为”Exploiting deep sulfur conversion by tandem catalysis for all-solid-state lithium–sulfur batteries”的研究论文。该工作提出串联催化策略以实现由S₈经中间产物Li₂S₂到Li₂S的深度转化，并通过锚定在导电MXene基底上的Co单原子（Co@MX）催化剂加以验证。研究结果表明串联催化实现了S₈通过Li₂S₂分步还原为Li₂S，其中原子级分散的Co位点促进S-S键断裂，而极性的MXene表面有助于锂离子扩散，从而显著降低了固相硫转化能垒。因此，基于Co@MX的ASSLSB在室温下以2.8 mA cm⁻²的电流密度经过2000次循环后仍能保持1329 mAh g_S⁻¹的高比容量。这项工作展示了串联催化在调控固相硫转化路径以及利用深度硫转化容量来实现高性能ASSLSBs方面的潜力。

本文要点

1.    采用串联催化策略，实现了S₈经过Li₂S₂中间产物到Li₂S的深度还原，从而充分利用了ASSLSBs中的硫转化容量。理论计算和实验分析证实，硫物种与MXene上的原子级分散Co位点以及极性Cl基团之间的强化学相互作用，加上快速的Li⁺表面扩散，共同促进了硫的氧化还原反应。

2.    Co@MX串联催化剂为全固态硫正极提供了丰富的活性位点和快速的电子/离子传导，加速了放电过程中Li₂S₂到Li₂S转化的关键步骤，协同降低了每个反应步骤的能垒，从而实现了深度的硫转化过程。此外，MXene上高密度的Co SAs活性位点确保了在长期循环过程中其与破碎的活性物质颗粒持续增强的相互作用。

3.    Co@MX基ASSLSB在2.8 mA cm⁻²的电流密度下经过2000次循环后，其可逆容量达1329 mAh g_S⁻¹，高负载正极在室温下经过100次循环后仍能保持3.8 mAh cm⁻²的面容量。该工作表明，串联催化能够调控固相硫氧化还原反应路径，从而实现高容量和长寿命的Li-S电池，具有推动ASSLSBs实用化发展的巨大潜力。

文章链接

https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf525

第一作者简介

葛慧琳，2022年本科毕业于天津大学化工学院，现为天津大学化工学院2022级博士生，导师为天津大学杨全红教授、杨春鹏教授。主要研究方向为全固态锂硫（硒）电池关键电极材料设计与反应机制研究。

2025-11-25