近日，柔性电子全国重点实验室马延文/刘瑞卿/史丽团队联合新加坡国立大学John Wang团队，在国际学术期刊Angewandte Chemie International Edition上发表题为“Coupled Electronic-Catalytic Regulation in All-in-One VN/B2O3 Ceramic Enables Fast Polysulfides Conversion in Li-S Batteries”的研究论文。该论文的第一作者为刘瑞卿副教授，共同通讯作者为刘瑞卿副教授、史丽副教授、John Wang教授和马延文教授。
锂硫电池凭借其极高的理论比容量和能量密度，被视为下一代高能存储技术的有力竞争者。然而，其实际应用受制于多硫化物穿梭效应、硫转化反应动力学迟滞、硫利用率低以及高负载下性能急剧衰减等核心挑战。尽管研究者已通过极性宿主材料、单原子催化、异质结构筑等策略在一定程度上改善了多硫化物的吸附与转化，但传统颗粒堆积型电极仍面临界面电阻大、活性位点易失活、孔隙结构不可控等瓶颈。异质结构材料因其能够协同实现对多硫化物的高效催化和强吸附，展现出比单一组分材料更优的调控能力，有助于改善氧化还原动力学和抑制穿梭效应。与此同时，一体化多孔结构在构建连续导电网络、促进离子传输以及提高活性材料负载等方面具有独特优势。因此，以功能性纳米颗粒为基本单元，构建一体化多孔结构作为硫主体，有望突破传统颗粒堆积型电极的局限，推动高性能锂硫电池的发展。
基于此，团队通过对VN和B2O3功能性纳米颗粒进行烧结-扩散，成功构建了一种具有连续骨架和分级多孔网络的一体化蚁巢状硫主体。在该一体化结构中，VN纳米单元作为高活性催化中心，而互联的多孔陶瓷基体则有效克服了传统颗粒膜的固有缺陷，如界面电阻高、孔隙率过大以及非活性组分占比过高等问题。连续的导电骨架为电子提供了高效传输路径，同时多孔结构保障了快速的离子扩散通道。此外，VN/B2O3（VNBO）异质界面增强了对多硫化物的化学锚定作用，实现了物理限域与化学吸附的双重协同。更为重要的是，VNBO异质界面实现了“电子-催化协同调控”机制。B2O3的引入有效调控了VN/B2O3异质界面的电子结构，降低了反应能垒，增加了电子转移数，从而显著加速了多硫化物的氧化还原动力学。通过耦合电子-催化调控与一体化多孔基体的结构设计，研究团队同步提升了硫的利用率和负载量，成功构筑了基于VNBO陶瓷的高能量密度硫正极。实验结果表明，所制得的一体化2-VNBO@S正极在1 mg cm⁻2的硫负载量下，0.5 C循环200次后仍能保持1187.2 mAh g⁻1的高放电容量。即使在3 C高倍率下，循环300次后容量仍能保持在944.3 mAh g⁻1，每圈容量衰减率低至0.054%。在更接近实际应用条件的4 mg cm⁻2硫负载量下，0.5 C循环150次后，放电容量仍稳定在557.9 mAh g⁻1。结合系统的电催化分析和理论计算，研究结果充分揭示了VN纳米单元、B2O3组分以及一体化结构之间的强协同作用。该研究为开发面向锂硫电池的高能量密度、长循环寿命的硫正极提供了一条具有前景的新路径（图1）。
图1.基于功能纳米单元构建的VN/B2O3一体化多孔陶瓷助力多硫化物快速转化
该项研究成果得到了国家自然科学基金、江苏省基础研究计划、新加坡教育部Tier 2项目以及柔性电子全国重点实验室项目等多项基金的共同资助。
原文链接：//onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202526035
（撰稿：刘瑞卿 编辑：陈宁娜 审核：凌海峰）