文章信息
空间位阻效应诱导制备轻质、双功能且易于浸润的宿主材料用于502 Wh kg−1
锂硫电池
第一作者：郭峻岭，梁欢
通讯作者：邵国胜*，卢思宇*，刘金平*
单位：郑州大学，武汉理工大学
研究背景
锂硫电池(Lithium-sulfur batteries, LSBs)凭借其极高的理论能量密度，成为了国家能源战略布局的核心方向之一。经过十多年的发展，硫基复合
正极材料取得了突破性进展，LSBs的性能得以显著提升。然而，其在实用化条件(高面积载硫量、低
电解液用量、低N/P等)下的性能依然较差，导致实际能量依然较低，成为制约LSBs走向产业化的核心瓶颈。
本团队的前期研究(Advanced Functional Materials, 2021, 31, 202010499; Advanced Science, 2024,11, 2407304;Energy & Environmental Science, 2024, 17, 1695等 )明确了在实用化条件下实现高性能所面临挑战：1)低电解液与硫比例(E/S)条件下循环稳定性与硫利用率之间的矛盾。抑制多硫化物(PSs)“穿梭效应”需要宿主材料具有充足的吸附区域，而其无法被少量电解液完全润湿。锂离子无法传输至未润湿区域参与反应，从而降低硫利用率。2)硫正极与锂金属负极的性能耦合在实用化条件下不可忽视。锂枝晶会破坏电解液与锂金属自发反应形成的钝化层，导致可用电解液的持续消耗，降低硫正极的比容量。此外，在“穿梭效应”过程中PSs可与锂金属的直接反应，形成不均匀的低离子扩散系数的Li2S沉积层，损害锂金属负极的性能。3)传统粉末电极结构不利于电解液的渗透，加剧低E/S条件下电解液的不均匀分布。因此，为构筑实用化下的LSB，需同时抑制“穿梭效应”和锂枝晶形成。据此，本团队提升，使用具有"二合一"双功能的易浸润宿主材料来改善上述问题，并通过一系列工作验证了其可行性(ACS Nano, 2021, 15, 16322; Small, 2022, 18，2202037; Rare metals, 2024, 43, 2560-2573; Advanced Energy Materials, 2025, https://doi.org/10.1002/aenm.202500355)。
目前，基于"二合一"双功能宿主材料策略设计的可循环LSBs的能量密度通常低于400Wh kg-1。这是因为这些双
功能材料普遍存在重量和功能性之间的矛盾。具体而言，高功能性的材料(金属基材料、异质结等)质量过大，而轻量的杂原子掺杂
碳材料功能性较低，导致正极硫含量常低于60%，进而导致基于整个正极的容量低于700 mAh g-1。单原子负载碳(SA@C)和边缘杂原子掺杂碳，作为少有兼具轻质和高功能性的材料，并不适合实际的LSB应用。就SAs而言，难以通过简便且可规模化的方法在碳基底上实现大量负载，限制了宿主材料的整体功能性，并阻碍了大规模应用。相比之下，边缘掺杂碳可以通过可规模化且简单的策略生产。然而，边缘杂原子常通过增加比表面积或构筑大量微/介孔来引入，这些方法与易浸润结构(通常具有大孔结构和低比表面积)并不兼容。因此，迫切需要开发一种在易浸润结构上构建丰富边缘掺杂位点的策略。此外，这种策略的开发是为了实现LSBs的实用化，应避免涉及难以规模化的复杂制备过程。
文章简介
针对上述挑战，团队以含硼碳点(BCDs)为杂原子引入剂，开创了一种空间位阻诱导方法，在易于浸润的碳纳米纤维(CNF)主体上成功构筑了丰富的边缘B掺杂位点。BCDs的有机性质有助于在聚合物前驱体主链上均匀形成类接枝状的BCD单元，而其无机结晶核在碳化过程中通过空间位阻抑制这些接枝状单元周围前驱体的石墨化，从而促进双功能性边缘B掺杂位点的形成。基于此宿主材料，成功使2 Ah的软包LSB展示了502 Wh/kg的能量密度和良好的循环稳定性。相关研究成果发表于国际权威期刊Advanced Materials上。
本文要点
要点一：位阻效应首创边缘掺杂机制，破解"浸润-活性"矛盾
团队创新性采用BCDs作为杂原子引入剂，其有机特性确保与聚丙烯腈(PAN)纺丝前驱体的良好相容性，实现接枝状BCDs单元的均匀分散;而BCDs的无机晶核在碳化过程中产生位阻效应，抑制周围PAN前驱体的石墨化，使乱层碳结构中形成大量不完整碳环，进而构建丰富的边缘B掺杂位点。球差校正TEM、11B固体核磁共振和X射线吸收精细结构(XAFS)等表征证实，BCDs@CNF中B-O键含量高达51.5%，远高于B@CNF(13.6%)，且存在大量未成对电子，为双功能活性奠定结构基础。
要点二：双功能活性位点协同调控，攻克正负极核心难题
密度泛函理论(DFT)计算与
电化学测试证实，BCDs@CNF的边缘B-O位点具有双重核心功能：在正极侧，其对多硫化物的吸附能优化，使Li2S2转化为Li2S的速率控制步吉布斯自由能垒低至0.58 eV，同时Li2S解离能仅1.05 eV，显著加速多硫化物催化转化。因此，BCDs@CNF基正极在硫含量73%、硫负载≈8 mg cm−2、E/S=5 μL mg−1的条件下，基于正极质量的比容量高达791 mAh g−1，为目前低E/S条件下已报道的最高值。在负极侧，边缘B-O位点与Li⁺的结合能最高，使锂成核过电位降低至≈19 mV，结合COMSOL模拟验证的均匀电流分布，有效抑制锂枝晶生长。对称电池测试显示，Li/BCDs@CNF在5 mA cm−2/5 mAh cm−2的苛刻条件下，循环稳定性超过600 h，远优于Li/CNF与Li/B@CNF(分别仅100 h和150 h)。
要点三：实用化条件下性能卓越，实现高能量密度LSBs
基于该宿主构建的2 Ah软包LSBs展示了502 Wh kg−1的能量密度，远超绝大多数已报道的软包LSBs(普遍低于450 Wh kg−1)。此外，与少数能量密度超500 Wh/kg的研究相比，该工作中由于宿主材料占比较低，无需使用极低的E/S和N/P，因此，该软包电池展示了更好的循环稳定性，更具实用化潜力。
文章链接
Steric-Hindrance Effect Induced Fabrication of Lightweight, Bi-Functional, and Easy-to-Infiltrate Hosts for 502 Wh kg−1 Lithium-Sulfur Batteries
https://doi.org/10.1002/adma.202518154
通讯作者简介
邵国生教授简介：面向国家能源战略需求，以功能定向理论预报材料配方为学术重点，通过“理论设计先行-实验验证-工艺优化”，实现低成本高效率材料合成和加工。发展“裁剪材料学”、多功能材料及器件、半导体薄膜与器件、
新能源材料及应用器件。主持国家自然科学基金项目三项，主持省厅级科研项目十余项，已获得英国国家级资助超过400万英镑。以第一作者在Nature、Nature Energy、Energy & Environmental Science、Advanced Materials等顶级学术期刊发表学术论文400余篇，总被引数超过15000次，H-index超过65。
卢思宇教授简介：在Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Matter, Acc. Mater. Res.等学术期刊上发表SCI论文100余篇，被SCI引用20000余次(Google Scholar)，H因子为82，其中4篇封面文章，54篇ESI高被引论文(1% Top)，5篇ESI热点论文(1‰ Top)，两篇研究论文入选“2021/2022年度中国百篇最具影响国际学术论文”。担任国家及河南省自然科学基金等项目评审专家; 兼任 Chinese Chem Lett编委以及Sci. China Chem., Energy Environ. Mater, SmartMat, eScience, Rare Met., Nano Research Energy和《发光学报》等国际著名期刊青年编委; 入选2022年度全球高被引科学家(科睿唯安)、全球前2%顶尖科学家榜单 (World’s Top 2% Scientists 2022，斯坦福大学)。
刘金平教授简介：武汉理工大学首席教授，曾获得国家级高层次人才(2021)、全球前2%顶尖科学家(终身影响力、年度影响力榜单)(2020-2022)、Nano Research 新锐青年科学家奖(2020)、英国皇家化学学会会士(FRSC)(2019)、科睿唯安(Clarivate)全球高被引科学家(2018，2020-2022)、Elsevier中国高被引学者(2016-2022)、省部级高层次人才(2018)、中国科技新锐人物奖(2017)、湖北省杰出青年基金(2013)、湖北省自然科学奖三等(2011)、SCOPUS青年科学家之星(2010)等荣誉。目前，围绕薄膜/阵列电极及柔性和固态
储能器件，在Adv.Mater.、Energy&Environ.Sci.、NanoLett.等期刊上发表SCI论文近130篇，包括6篇特邀综述，被Nature Energy等SCI他引14000余次, H指数60;1篇论文获“中国百篇最具影响国际学术论文”。主持了国家重点研发计划重点专项子课题、国家自然科学基金、湖北省杰出青年人才基金、武汉市科技晨光计划等项目10余项，授权发明专利近10项，出版中英文专著(章节)2部。
第一作者简介
郭峻岭副教授：围绕实用化锂硫电池的设计开展了系统研究。在该领域以第一/通讯作者身份发表SCI论文22篇，包括Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano.、Adv. Sci.等材料领域顶级期刊。主持国家自然科学基金青年项目(30万)、河南省联合基金(优势学科培育类)重点项目(80万)，中国博士后基金特别资助(18万)、中国博士后面上资助(8万)、河南省自然科学基金青年项目(5万)等多项国家级、省部级课题。主持多项横向课题，其中重大横向项目(>100万)1项。
梁欢：郑州大学材料科学与工程专业硕士研究生，从事锂硫电池自放电研究。
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