华中科技大学谢佳教授课题组， Materials Today：硫化聚丙烯腈正极用于先进碱金属-硫基电池：合成、结构、机理与应用

第一作者：吴强

通讯作者：谢佳

单位：华中科技大学

全球能源转型加速与电子设备、电动汽车的普及，对储能技术提出了高能量密度、低成本、环保可持续的迫切需求。传统锂离子电池虽已广泛应用，但正极依赖的过渡金属资源稀缺且价格波动，其能量密度也难以满足下一代储能系统的性能要求，推动研究者转向新型电池体系的探索。金属硫基电池具备超高理论能量密度，以及硫资源储量丰富、成本低廉、环境友好的优势，成为最具潜力的下一代高能储能技术之一。然而，单质硫正极存在致命缺陷：硫本征电导性低，且电化学反应过程中会生成可溶性多硫化物引发穿梭效应，导致电池容量快速衰减、循环寿命缩短，严重阻碍了实用化进程。为解决上述瓶颈，硫化聚丙烯腈（SPAN）凭借独特的结构与性能优势脱颖而出。其有机骨架通过共价键结合硫的形式，能有效抑制多硫化物溶解穿梭，同时缓解体积膨胀问题，成为下一代高比能电池的理想候选材料。但现有SPAN 材料仍面临重大科学挑战：硫含量低于50%，限制了电池能量密度的提升；电化学反应动力学缓慢，影响倍率性能与硫利用率。因此，针对SPAN 材料硫含量低、反应动力学迟缓等关键痛点，开发新型结构设计与改性策略，突破其在实用化工况下的性能瓶颈。

近日，华中科技大学谢佳教授课题组，在国际知名期刊Materials Today上发表题为“Sulfurized Polyacrylonitrile Cathode for Advanced Alkali Metal-Sulfur Batteries: Synthesis, Structure, Mechanism, and Application”的综述文章。该综述全面解析了SPAN在合成、结构表征及电化学机理方面的最新研究进展，同时批判性地评估了导电碳复合、杂原子掺杂、形貌调控等改性策略。此外，本文还探讨了SPAN正极在锂/钠/钾-硫电池体系中的应用研究，并提出通过协同材料设计与工艺优化实现高能量密度（>500 Wh kg^‒1）储能系统的发展路线图。该综述通过衔接基础认知与工程挑战，旨在推动基于SPAN硫正极的碱金属硫基电池（AMSBs）在可持续储能领域的发展进程。

系统化解析了SPAN 的合成受反应温度、时间、蒸气压、聚丙烯腈（PAN）分子量及 S/PAN 比例等因素影响机制。总结出最佳合成条件范围：反应温度以 300-450℃ 为宜，平衡容量、稳定性与结构完整性；最优反应时间为 2.5 h，过长易导致硫挥发，过短则结构不均；适度提高蒸气压可增强PAN与硫的反应效率，改善导电结构；高分子量 PAN 能提升硫负载量与循环稳定性，S/PAN比例建议≤5:1 以避免资源浪费以及环境友好性。通过精准调控这些参数，可实现SPAN 结构与性能的定制化优化，为后续材料改性优化奠定基础。

尽管硫化聚丙烯腈的共价硫键和准固态氧化还原转化机制上已达成基本共识——共价碳-硫键合模型，其中短链硫物种（S2–S4）锚定在共轭碳骨架上。这种结构能够实现准固态氧化还原反应，消除高阶可溶性多硫化物的溶解穿梭，同时通过锂离子在π共轭体系中的储存来提供额外容量——但在锂离子存储位点和不可逆过程方面仍存在分歧。后续采取先进的原位表征技术（X 射线吸收光谱、固态核磁共振、电子顺磁共振）和计算建模对于解决这些科学难点至关重要。开发一个整合了共价硫氧化还原和共轭碳贡献的统一机理框架，将有助于加速推动高能量密度电池用 SPAN 正极的合理设计。

尽管SPAN具有固有的优势，但诸如含硫量有限、动力学缓慢和低电子导电性等挑战仍然存在。为了解决这些限制，研究人员开发了多种改性策略，包括导电碳材料复合、过渡金属化合物修饰、杂原子掺杂、结构调控和助硫化剂。文中系统性的总结归类对比解析，并批判性地评估这些方法，强调它们的机制作用和实际意义。

SPAN独特的共价硫键和与各种电解质的兼容性使其能够在锂硫，室温钠硫和钾硫电池系统中部署。评估了高性能硫化聚丙烯腈硫正极在这些电池体系中的电化学性能，强调了在实际条件下能量密度、循环稳定性和可扩展性方面的进步。基于上述评估以及研究现状，提出了未来高比能碱金属-硫化聚丙烯腈电池发展的五个关键参数：硫利用率、硫含量、电极面载量、正负极N/P比、电解液添加量E/S比。对比不同电池体系，总结出未来最佳适配发展电池体系，以及构建了高能量密度电池模型参数，用于推动和指导后续高比能碱金属-硫化聚丙烯腈电池开发。

总之，SPAN 为硫基正极设计带来了范式革新，搭建了基础研究与商业化储能需求之间的桥梁。通过攻克这些尚存的科学与工程挑战，SPAN 基碱金属硫电池有望开启可持续、高能量密度电池的新时代，为全球可再生能源转型与碳中和进程提供有力支撑。

Qiang Wu, Yuanke Wu, Mingsheng Qin, Haolin Zhu, Shijie Cheng, Jia Xie*，Sulfurized polyacrylonitrile cathode for advanced alkali metal-sulfur batteries: Synthesis, structure, mechanism, and application, Materials Today, 2025.

谢佳，华中科技大学教授、博士生导师，国家杰出青年基金获得者，国家高层次人才计划青年项目入选者，科技部重点研发计划和青年973项目首席科学家，英国皇家化学学会Fellow，先进电工材料与器件研究中心副主任，IEEE PES中国区储能材料与器件技术分委会副主席。2002年和2008年在北京大学和斯坦福大学分别获学士和博士学位，曾任美国陶氏化学资深研究员、合肥国轩高科研究院院长。主要从事电化学储能研究，主持储能电池领域重点研发计划、青年973、基金委杰青和联合基金重点等多个国家级项目，以第二完成人荣获国家科技进步二等奖，以第一完成人荣获新疆科技进步一等奖、中国电工技术学会科技进步一等奖和首届青年科技奖。以第一/通讯作者发表SCI论文200余篇，获专利授权100余项。担任《储能科学与技术》编委和Interdisciplinary Materials学术编辑。

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