东北大学宋禹课题组：构建Cu-S-Zn电子通道破解锌硫电池中 ZnS 氧化难题

第一作者：黑鹏

通讯作者：程豪*，王静*，崔伟斌*，宋禹*

单位：东北大学，浙江大学，燕山大学

水系锌硫电池天生自带 “三大优势”，是储能领域的 “种子选手”：高容量天花板：理论比容量达 1672 mAh/g，是插层型材料的数倍；安全与成本双优：水系电解液无燃爆风险，锌、硫元素储量丰富，成本仅 52 Ah/美元；绿色环保：避免有机电解液污染，契合 “双碳” 需求。但是电池工作时，放电过程硫（S）会转化为硫化锌（ZnS），而充电时 ZnS需重新氧化为 S。可 ZnS 的晶体结构（立方闪锌矿结构，空间群F-43m）极具稳定性：Zn²⁺高电荷密度（Z2/r=54.1 nm^-1）增强Zn-S键共价作用，使其晶格能高达～3400 kJ/mol，导致 ZnS 氧化的能垒极高。这直接引发两个问题：一是 ZnS 氧化不彻底，形成 “绝缘死层” 阻碍电荷传输；二是电池容量快速衰减，根本无法满足长期使用需求。

近日，东北大学宋禹课题组在水系锌硫电池（AZSBs）领域取得重要进展，他们开发的硫化铜（CuS）催化剂，成功解决了 AZSBs 中硫化锌（ZnS）电氧化反应慢、可逆性差的核心难题，再搭配 i-MXene 功能化隔膜抑制Cu离子穿梭，最终让电池实现 “高容量+长寿命”双重突破。相关成果发表于《Chemical Engineering Journal》，为下一代低成本、高安全储能器件的开发提供了关键方案。

首次将介孔 CuS 微球用作 AZSBs 催化剂，通过实验（TEM、XRD、XAS）和理论计算（DFT）证实：充电过程中，CuS 会与ZnS形成CuS-ZnS 异质结界面，并通过 “Cu-S-Zn”电子桥实现电子定向迁移 — 电子从 CuS 快速转移到 ZnS，让 ZnS 表面的硫原子局部电荷累积，最终“拉长并削弱 Zn-S 键”。这一过程直接降低了 ZnS 氧化的能垒：不仅让 ZnS 到 S 的转化更彻底，还提升了 ZnS 的金属性（导电性从 10^-10 S/cm 跃升至 1.75×10^-3 S/cm），彻底解决了“反应慢、传荷难”的问题。

测试发现，CuS 在循环中会溶解出 Cu²⁺，这些离子会“穿梭”到锌阳极并沉积，导致催化剂流失，电池 30 次循环内容量断崖式下跌。为解决这一问题，团队制备了Mo_1.33C i-MXene 功能化玻璃纤维隔膜（Mo-GF）：MXene表面带负电官能团（F⁻、Cl⁻、OH⁻）和拓扑缺陷，通过“静电吸附 + 化学锚定”双重作用截留 Cu²⁺。对比实验显示：用普通 GF 隔膜时, 4 小时后电解液即出现 Cu²⁺的特征吸收峰；而Mo-GF 隔膜，无Cu²⁺检出，循环过程中锌阳极也无Cu沉积，CuS-ZnS 异质结构保持完整。

在 CuS 催化剂与 Mo_1.33C i-MXene 功能化隔膜（Mo-GF）协同作用下，锌硫电池性能显著提升。0.3 A/g 下初始放电容量达 1542 mAh/g（硫利用率 92.2%），3 A/g 高电流下仍保 1008 mAh/g（远超普通 GF 隔膜的 277.5 mAh/g）；3 A/g 循环 400 次容量保持率 75%，能量密度最高达 750.1 Wh/kg，综合性能优于传统催化剂体系

Copper sulfide catalysts facilitating zinc sulfide electro-oxidation inaqueous zinc–sulfur batteries.

宋禹，博士，特聘研究员，博士生导师，吉林大学化学专业获学士学位，2017年7月于东北大学物理化学专业获博士学位。2015年10月至2017年5月，获国家留学基金委资助，前往美国加州大学圣克鲁兹分校（UCSC）生物与化学系，从事博士联合培养研究。研究方向主要集中于超级电容器、水系电池等，相关成果获辽宁省自然科学一等奖。主持国家自然科学基金、博士后科学基金特别资助等项目，以第一或通讯作者发表高水平SCI研究论文五十余篇，研究成果刊登在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Ed. Int., Adv. Energy Mater., ACS Energy Lett., Adv. Funct. Mater. 等国际顶级化学、材料类期刊。