近日，我校孙学良院士、王长虹助理教授团队在化学类顶刊《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）上发表重要研究成果，为开发高能量、长寿命的全固态锂硫电池提供了一条新路径。
论文以 “A Universal Solid Reaction Enabling Nanosized Li2S in an Amorphous Matrix for All-Solid-State Li−S Batteries”为题，通过原位固态反应，设计了一种新型复合正极材料（92Li2S@8LiFeS2），在高硫载量下实现了优异的循环稳定性与比容量。
图1 - 高性能全固态锂硫电池 (ASSLSBs) 正极设计原理示意图。(a) Li2S与多种金属氯化物发生通用固态反应的示意图。(b) 用于筛选最合适导体的过程细节。(c) Li2S 正极和 (d) 92Li2S@8LiFeS2复合正极的电池结构与性能对比。
甜蜜的烦恼：高能硫为何难以驾驭？
作为下一代储能技术的有力竞争者，锂硫电池因理论能量密度高 (2600 Wh kg-1)和硫资源丰富的优势，备受关注。然而，其核心正极材料硫化锂（Li2S）存在两个主要缺陷：一是电子/离子“通路不畅”（ 电导率低），二是充放电过程中会“胖瘦”变化（体积效应大）。尤其在全固态体系下，这些问题更限制了高载量硫正极的应用。
一石三鸟的新型复合结构
如何为硫化锂这位“偏科生”扬长避短？研究团队受到“限域+协同催化”的启发，提出一个精妙的解决方案。他们利用廉价的FeCl3与Li2S发生自发固态反应，形成由纳米级Li2S粒子 (~4 nm) 均匀嵌入无定形LiFeS2基体的复合结构。
图2 - 基于以下筛选准则对锂金属硫化物及金属硫化物基材料的计算筛选结果。(a) 费米能级；(b) 带隙；(c) 反应能 (T = 0 K)；(d) 态密度 (DOS)；(e) Li2S2和Li2S还原态在 LiVS2 (蓝线) 和 LiFeS2 (红线) 相上的吸附能量曲线；(f) LiVS2、LiFeS2与硫基分子（S8、Li2S2、Li2S）结合能；(g) LiFeS2催化作用示意图。
这一结构设计 (图2和图3) “一举三得”：
1.混合导电与催化作用
LiFeS2作为电子/离子混合导体和催化剂，有效促进界面反应动力学；
2.纳米化效应
纳米级Li2S显著缩短电荷传输的“路程”，同时缓解体积膨胀；
3.结构稳定性
LiFeS2基体柔性且具有惰性，像一个坚固的“脚手架”，可以在长循环中稳定锚定Li2S。
图3 - 结构与形貌分析。(a) 9Li₂S + MClₓ（M = Al, Ga, Zn, Cu, Fe, V, Zr, Hf, 和 Y）的同步辐射 XRD 结果；(b) 92Li₂S@8LiFeS₂ 正极的 Rietveld 精修结果；(c) 92Li₂S@8LiFeS₂、Li₂S 和 LiCl 的 PDF 分析；(d) 92Li₂S@8LiFeS₂ 的拉曼光谱；(e) Fe K 边 EXAFS 的 R 空间（k³ 加权）；(f) 92Li₂S@8LiFeS₂ 和 Li₂S 的 S K 边 XANES 光谱；(g) 92Li₂S@8LiFeS₂ 与标准 LiCl、FeCl₃ 样品的 Cl K 边光谱。(h, k) 92Li₂S@8LiFeS₂ 和 Li₂S 的低倍 TEM 图像及对应的 FFT 图案；(i, l) 92Li₂S@8LiFeS₂ 和 Li₂S 的对应 FFT 图案；(j, m) 92Li₂S@8LiFeS₂ 和 Li₂S 的原子分辨 TEM 图像。
图4 - 电化学性能测试结果。(a) 基于 Li₂S/Li₆PS₅Cl/C = 6:3:1，在活性正极载量 1.3 mg/cm²、 电流密度 0.4 mA/cm² 下的充放电曲线；(b, c) 基于 92Li₂S@8LiFeS₂/Li₆PS₅Cl/C = 6:3:1，在活性正极载量 1.3 mg/cm²、 电流密度 0.4 mA/cm² 下的充放电曲线与循环性能；(d) 92Li₂S@8LiFeS₂ 正极在 2.54 mg/cm² 活性载量下的循环性能；(e) 在 2.54 mg/cm² 活性载量下的倍率性能；(f) 在高 Li₂S 正极载量下的电化学充放电曲线。
实验验证，高载量下的卓越性能
实验结果充分证明了这一策略的成功。这一新型复合正极材料展现出了卓越性能：
1. 在1.3mg cm⁻² 载量下，92Li₂S@8LiFeS₂ 首圈比容量达696.9 mAh g⁻¹，循环320圈后容量保持率仍超过99%；
2. 在2.54mg cm⁻² 载量 (活性物质含量48%) 下，电池接近理论容量，循环60 圈后容量保持率达 94.7%；
3. 在超高载量19.1mg cm⁻² 下，面积比容量高达13.2mAh cm⁻²，实现了目前已报道的研究中最高的活性物质含量与优异循环稳定性。
这项工作不仅展示了92Li₂S@8LiFeS₂复合正极在高载量条件下的优异表现，也提出了一个可推广的“原位反应限域+催化基体协同”的新范式。未来，这种策略有望进一步拓展到更多金属硫化物体系，为高能量密度、长寿命的全固态金属硫电池发展提供新的动力。
宁波东方理工大学为本篇论文的第一单位，孙学良院士和王长虹助理教授为论文通讯作者，Xiaoge Hao，Zhiliang Dong，Jiabin Ma，Weihan Li为论文共同第一作者。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c18340
招聘信息
孙学良院士、王长虹助理教授团队长期聚焦全固态电池、锂硫电池与先进储能材料，方向涵盖固态电解质材料设计、硫正极催化与界面调控、全固态电池工程化、电化学原位/同步辐射表征、理论计算与多尺度模拟等。团队依托宁波东方理工大学物质与能源研究院平台，并与国内外一流高校保持紧密合作。现面向上述方向招聘博士后、博士生与科研助理。有意者请将简历发送至：cwang@eitech.edu.cn
