电子自旋极化及磁流体动力学效应协同构筑宽温域锂硫电池​徐立强教授，Angew.：物理场引入同时优化锂硫电池的硫正极与锂负极性能

第一作者：王斌

通讯作者：徐立强*

单位：宁夏大学，山东大学

随着全球能源危机的加剧，储能技术已成为能源系统转型的关键支撑。锂硫电池凭借其超高理论质量能量密度（2600 Wh/kg）、环境友好、成本低廉等突出优势，被视为最具前景的下一代电化学储能体系之一。然而，其商业化进程长期受困于多硫化物的“穿梭效应”、缓慢的氧化还原动力学以及锂负极枝晶生长等严峻挑战。传统催化剂设计策略已触及其电子结构相关的活性上限，而将研究策略转移至多物理场（磁/电/光）调控，以期通过场与物质的相互作用动态重构电子自旋态，实现催化活性的性能提升。

近日，宁夏大学/山东大学徐立强教授团队在国际顶级期刊《Angew. Chem. Int. Ed.》上发表了一项突破性研究。该研究创新性地提出了一种磁场协同调控策略，通过精心设计的双锥双层中空双金属硼化物，同时实现了对硫正极的自旋工程调控和对锂负极的磁流体动力学保护，成功构筑了在-40°C极寒条件下仍能稳定工作的高性能锂硫二次电池。

研究团队以具有独特锥形结构的Fe-MOF为前驱体，通过一种巧妙的协调反应级联策略，成功构建了具有双锥双层中空结构的硼化铁镍材料。该结构不仅极大提高了比表面积，为硫物种的吸附和转化提供了丰富的反应场所，其独特的反应器架构还有效提升了空间利用效率和循环稳定性。更重要的是，Fe和Ni原子未配对的3d电子通过交换相互作用形成了磁矩网络，使该材料具备优异的磁场响应能力，为后续的磁场调控奠定了基础。

本研究的核心发现之一在于揭示了磁场对催化剂电子结构的深刻影响。研究表明，外部磁场能够触发Fe/Ni的3d轨道电子从低自旋态向高自旋态转变，产生更多未配对电子，从而重构其电子配置。理论计算进一步证实，磁场能使催化剂的d带中心上移，增强其对多硫化物的吸附作用。电化学测试结果直观展示了这一效应：在磁场作用下，对称电池的电流响应显著增强，交换电流密度提升数倍，表明磁场极大地加速了硫转化的动力学过程。

除了提升正极催化活性，该策略还巧妙利用了磁流体动力学效应来解决锂负极的枝晶难题。由于锂离子具有顺磁性，其在电场中迁移时，施加一个垂直磁场会使其受到洛伦兹力，运动轨迹由直线变为螺旋线。这种磁流体动力学效应增强了锂离子的扰动，使其在电极表面均匀分散，从而有效抑制了导致枝晶生长的尖端效应。原子力显微镜和模拟结果均证实，磁场作用下沉积的锂金属表面更加平整致密，粗糙度显著降低。Li-Li对称电池在磁场下实现了超过1000小时的稳定循环，充分验证了该策略对锂负极的有效保护。

基于上述双重协同机制，最终组装的锂硫电池展现出优异的综合性能：宽温域工作：在-40°C的极端低温下，电池仍能输出345 mAh/g的可逆容量，展现了惊人的环境适应性。高载量高容量：在高硫载量下，面积容量远超商业锂离子电池水平。

Constructing Wide-Temperature-Range Li-S Batteries Through Synergistic Boride Spin-Polarization Coupling Regulation and Magnetohydrodynamic Effects, Angew. Chem. Int. Ed., 2026, e19187;

DOI: 10.1002/anie.202519187.

徐立强教授简介：宁夏大学二级教授；宁夏大学/山东大学博士生导师；近年来一直致力于新型高性能碱金属/硫二次电池、准固态电池等相关电极材料的新颖制备方法探索、结构与性能调控及其实际应用等;相关研究属无机合成与制备化学、纳米材料、电化学, 晶体结构与性能及器件等交叉学科的前沿研究领域。在上述相关研究领域目前已在Chemical Society Reviews., Progress in Materials Science., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., ACS Nano.等发表第一/通讯作者SCI收录论文140余篇; 并获邀撰写综述论文多篇，相关论文已被他引11000余次; H-index 57；获山东省自然科学二等奖2项；主编中英文教材2部；作为首位指导教师指导学生获“中国国际大学生创新大赛”金奖及 “挑战杯”中国大学生创业计划竞赛银奖各1项；2024年入选教育部长江学者特聘教授。