四川大学林紫锋、代春龙、胡琳钰等Joule：基于硫正极的锂铜双离子电池新体系

第一作者：丁钰

通讯作者：林紫锋，代春龙，胡琳钰

第一单位：四川大学

锂硫（Li–S）电池因硫正极具有极高的理论比容量，被认为是下一代高能量密度储能体系的重要候选。然而，其实际应用长期受到几大核心瓶颈制约：一是反应过程中生成的多硫化物中间体易溶于电解液并发生穿梭，导致容量快速衰减；二是放电终产物Li₂S导电性极差，限制了反应动力学；另一方面，硫/多硫化物反应体系本征电位较低，锂硫电池放电平台电压约为2.1V。现有研究主要通过物理限域或界面调控等手段，在电池内部抑制多硫化物的溶解与迁移，但这些策略并未从根本上改变硫电极的反应路径。针对这一问题，本文重新设计硫电极反应中的电荷载体，从反应源头避免可溶性多硫化物的生成。

近日，四川大学林紫锋、代春龙、胡琳钰团队在Joule上发表研究论文“High-voltage sulfur electrochemistry enabled by copper-ion mediation in non-aqueous batteries”。该研究提出并验证了一种铜离子（Cu²⁺）介导的非水系硫电化学新体系，以Cu²⁺ 取代传统碱金属离子（Li⁺/Na⁺/K⁺）作为硫电极反应的电荷载体，从根本上突破了传统硫基电池在反应机理层面的固有限制。研究表明，在有机电解液中，硫在 Cu²⁺ 参与下主要经历固相硫化铜（CuxS）中间体的多步转化过程。由于 CuxS 在有机溶剂中溶解度极低，该体系在本征上抑制了多硫化物的溶解与穿梭问题。同时，铜离子介导的硫电化学反应显著提高了硫的氧化还原电位，整体提升幅度超过 1.2 V。基于这一新机制，研究团队进一步构建了放电电压高达 3.3 V的锂–硫混合全电池，为发展高电压、高能量密度硫基储能体系开辟了全新的技术路径。

研究系统评估了多种铜盐在醚类溶剂（DOL/DME）中的相容性，最终选定高氯酸铜（Cu(ClO₄)₂）作为理想的铜离子源。其制备的电解液具有高离子电导率和较高的Cu²⁺迁移数，并展现出良好的铜沉积/剥离可逆性，为非水系铜-硫电化学奠定了基础。

基于该铜离子电解液的Cu-S半电池展现出卓越的电化学性能：在0.1 A g^-1电流密度下提供2034 mAh g^-1的高比容量，极化电压低至0.09 V。硫的氧化还原电位相较于传统锂硫电池体系高出约1.2 V。同时，电池表现出优异的循环稳定性，在0.5 A g^-1下循环1000次后仍保持907 mAh g^-1的容量。

通过一系列非原位与原位表征（XRD、HRTEM、XPS、原位XRD），研究阐明了硫在铜离子电解液中的反应机制。放电过程中，硫经多步转化反应最终转化为Cu2S。充电产物则为CuS与非晶态硫的复合物。整个过程中生成的CuₓS中间体溶解度极低，从根本上避免了多硫化物的穿梭。同时，导电的CuxS相（尤其是CuS）的形成，显著加速了电极反应动力学。

为充分发挥该高电位硫正极的优势，研究组装了一种双离子（Li⁺/Cu²⁺）混合全电池，采用金属锂为负极，并使用阴离子交换膜（AEM）隔离正负极室以防止Cu²⁺穿梭。该全电池实现了约3.3 V的稳定放电平台，远超已报道的各类硫基电池。基于活性物质总质量计算，其能量密度高达980 Wh kg^-1。

High-voltage sulfur electrochemistry enabled by copper-ion mediation in non-aqueous batteries

林紫锋，四川大学研究员、国家级青年人才。从事电化学储能研究，以第一作者或通讯作者在Nature Materials（2020）、Nature Nanotechnology（2025）、Nature Energy（2017）及Nature Communications（2021、2024）等期刊发表40余篇论文，参与编写英文专著2本。主持国家自然科学基金面上项目（2020、2024）、青年项目（2019）及四川省杰出青年基金（2022）等。获2021年度英国皇家化学学会Horizon奖、2020年IFAM优秀青年科学家奖及四川省金属学会冶金青年科技奖等荣誉。入选美国斯坦福大学和爱思唯尔联合发布的全球前2%顶尖科学家。

代春龙，四川大学特聘副研究员，硕士研究生导师，师从曲良体教授，入选四川大学“双百计划”，四川省高层次人才计划(2022)。研究方向为水系电池和硫基电池等，以第一作者或通讯作者(含共同)在Sci. Adv.，Nat. Commun., Adv. Mater.，Angew. Chem. Int. Ed.，Energy Environ. Sci., 等期刊发表SCI论文20余篇。

胡琳钰，四川大学特聘副研究员，师从北京理工大学王博教授，主要从事水系电池多尺度界面调控及其微型化、柔性化结构设计方面的研究。相关研究成果以第一/通讯作者(含共同)在Energy Environ. Sci., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Energy Mater., ACS Nano, Nano Energy等期刊发表论文10余篇，其中2篇文章入选ESI高被引(Top 1%)。授权/申请国家发明专利3项。