郑州大学，ADVANCED SCIENCE最新研究

第一作者：侯若晗、魏怡昕

通讯作者：邵国胜教授、张鹏教授

单位：郑州大学

原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202511072

随着对高能量密度、低成本以及环境可持续性的储能系统需求的增加，锂硫电池（Li-S）逐渐成为下一代储能技术的研究热点。其具有约2600 Wh kg-1的理论能量密度，显著高于传统的锂离子电池。然而，锂硫电池的实际应用面临一系列挑战，包括硫及其还原产物（如Li2S和Li2S2）的低电导性、反应缓慢的氧化还原反应、多硫化物（LiPS）穿梭效应、以及锂金属负极的稳定性问题。这些因素严重限制了锂硫电池的实用性和商业化进程。为了突破这些瓶颈，研究者们开始关注如何通过材料创新来优化锂硫电池的性能。高熵催化剂（HEC）作为一种新型材料，因其独特的结构和多样化的催化性质，成为解决锂硫电池问题的潜在方案。高熵催化剂通过在催化剂中引入五种或更多的金属元素，不仅提供了丰富的活性位点，还通过其高构型熵结构提高了稳定性。基于这些优势，HEC能够有效促进LiPS的转化反应，抑制穿梭效应，并提升电池的长期稳定性和电化学性能。本文对高熵催化剂的设计原理、合成方法及其在锂硫电池中的应用进展进行了综述，并探讨其未来发展方向。

高熵催化剂由五种或更多金属元素按接近等摩尔比混合，形成稳定的单相固溶体，其高配置熵结构能够有效提高材料的稳定性和催化活性。与传统的二元或三元催化剂相比，高熵催化剂的无序排列提供了大量的活性位点，这些位点有助于吸附和转化LiPS。此外，高熵催化剂的独特结构使得材料能够调节电子结构，优化与LiPS的相互作用，从而加速电池中硫的氧化还原反应并提升电池的循环稳定性。这些优势使得HEC在锂硫电池的应用中展现了出色的性能。高熵催化剂的催化性能源自其复杂的多元素组合和高配置熵效应。具体来说，HEC通过四种主要效应显著提升催化性能。高熵效应：高熵效应通过最大化配置熵，使材料在热力学上更加稳定，避免了不同金属元素之间的相分离现象。在锂硫电池中，这种效应有助于保持催化剂的结构均匀性，提升电池器件在长循环中的稳定性。鸡尾酒效应：在HEC中，不同金属元素的协同作用可以产生超出简单元素平均效果的性能提升。通过优化不同金属之间的相互作用，HEC能够增强对LiPS的化学吸附，从而减少穿梭效应并促进LiPS的快速转化。迟滞扩散效应：HEC的原子级无序结构使得原子的迁移速度减慢，这一特性可以有效抑制在电化学循环中表面重构以及相转变，增强了催化剂耐受性。晶格扭曲效应：由于不同金属元素的原子半径和化学键合偏好差异，HEC内部常常出现晶格扭曲现象，这种扭曲产生了局部应变，并生成了活性位点。这些位点能够有效降低反应的活化能，从而加速LiPS的转化过程。

高熵催化剂的合成方法对于确保其性能至关重要。不同的合成策略不仅能影响催化剂的微观结构，还能决定其表面特性和催化活性。高熵催化剂的合成方法多种多样，包括高温固态合成、溶胶-凝胶法、喷雾热解法、共沉淀法、碳热冲击法和金属有机框架（MOF）衍生法等。高温固态合成法简单、成本低，适合大规模生产，但可能导致粒子粗化；溶胶-凝胶法能够精确控制材料的化学均匀性和纳米结构，适合金属氧化物的合成；喷雾热解法则通过快速合成均匀的球形颗粒，提供较高的比表面积；共沉淀法操作简便，能够确保金属元素的均匀分布，但可能受沉淀过程的影响而导致相分离；碳热冲击法通过极高的反应速率生成高熵催化剂，能够有效避免金属元素的相分离；而MOF衍生法则能够通过金属有机框架模板精确控制金属分布和孔结构，具有较好的调控性。每种方法都有其优势与挑战，选择合适的合成策略能够有效提升高熵催化剂的性能。

高熵催化剂（HEC）在锂硫电池中的应用，凭借其独特的多金属元素组合和高度可调的电子结构，有效解决了锂硫电池中存在的多个关键问题。首先，HEC能够加速LiPS的转化，提高硫的氧化还原反应速率，降低反应能。这一过程通过提供丰富的活性位点和优化反应路径，显著增强了电池的比容量和循环稳定性。此外，HEC材料能够有效抑制LiPS的穿梭效应，通过化学吸附和电子转移减少LiPS的溶解与迁移，从而降低电池自放电并提升电池的能量转换效率。高熵催化剂的结构优势还体现在其高配置熵效应上，这种结构稳定性使得催化剂在长时间循环过程中保持高效的催化活性。与传统的低熵催化剂相比，HEC能够更好地抵抗表面重构和相分离，保证催化剂在复杂的电化学环境中的持久稳定性。高熵催化剂还通过独特的电子结构调节，优化了材料的电导性，减少了电池中电子和离子的迁移阻力，进一步提高了充放电效率。总的来说，高熵催化剂在锂硫电池中的应用展现了其多功能性，不仅能够提升电池的容量、倍率性能，还能延长电池的使用寿命。通过进一步的材料设计和合成方法的优化，HEC有望解决锂硫电池的多重挑战。本综述针对各种高熵材料分别进行了系统分析，包括：高熵氧化物、高熵硫化物、高熵合金、高熵MXene、高熵普鲁士蓝、高熵氮化物、高熵磷化物等，详细分析了它们在锂硫电池设计中的具体优点。