兰司/朱贺教授课题组Advanced Materials：揭示非晶硫化锂结构在锂硫电池动力学中的关键作用

第一作者：王志华，柯俊如

通讯作者：朱贺*，兰司*

单位：南京理工大学

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Li-S电池凭借其超高理论能量密度（2600 Wh kg⁻¹）和硫资源丰富的优势，被视为下一代高能储能体系的核心候选。但是，其实际应用受限于硫正极固-液-固转化过程中的动力学瓶颈，特别是Li₂S结晶引发的电子/离子传输阻断、界面扩散迟滞及活性硫损失等连锁问题。目前研究通过两种策略突破瓶颈：一是利用功能材料诱导Li₂S形成三维多孔结构以扩展反应界面，但面临活性位点覆盖失活的风险；二是通过弱化Li⁺-S²⁻结合能驱动Li₂S无定形沉积，从而维持连续离子通道并缓解体积应变，该策略在工艺兼容性和本征动力学优化上展现出更大潜力。

近日，来自南京理工大学的朱贺教授和兰司教授，在国际知名期刊Advanced Materials上发表题为“Steric Hindrance-Induced Amorphous Lithium Sulfide Deposition Accelerates Sulfur Redox Kinetics in Lithium-Sulfur Batteries”的研究型文章。该文章研究了苯并15-冠醚-5（B15C5）对Li⁺的选择性配位作用构建空间位阻效应，成功将Li₂S的周期性晶体结构转化为非晶态，实现正极界面均匀沉积并降低硫物种反应能垒，进而显著提升了Li₂S成核/生长动力学。

通过同步辐射对分布函数（PDF）分析和原位XRD表征，揭示了B15C5对Li₂S沉积结构的调控机制。纯Li₂S呈现尖锐的远程序列峰（>25 Å），而Li₂S+B15C5体系则表现为无序振荡峰，表明长程有序性显著下降，证实非晶化主导。原位XRD监测表明，B15C5显著延迟Li₂S晶核形成阈值（从DoD=36%延至58%），并抑制晶相生长速率，最终Li₂S以非晶态为主、含微量纳米晶的复合结构沉积。非晶Li₂S的无序特性消除了晶界应力，使其在导电基底上实现均匀连续覆盖，避免孔道阻塞并缩短Li⁺扩散路径。

非晶Li₂S通过加速离子传输与降低极化显著提升反应动力学。B15C5诱导的非晶结构缩短离子扩散路径，其缺陷位点促进多硫化物高效沉积，突破晶态Li₂S的绝缘限制，实现连续快速沉积。该结构延迟极化出现，提升高硫载量与贫电解液条件下的容量保持，并降低充电电压。

理论研究表明，B15C5通过双机制协同作用调控Li-S体系性能：其一，B15C5与Li⁺形成稳定溶剂化结构，其空间屏蔽效应抑制Li₂S分子间作用，阻断晶体有序生长，驱动非晶化；其二，B15C5与多硫化物复合优化其电子结构，增强电子转移能力并降低Li₂S中Li-S键解离能，从而突破反应能垒。物理屏蔽与电子调控的协同作用不仅抑制晶体成核，还加速多硫化物转化，为非晶态Li₂S形成及高效动力学提供理论支撑。

Steric Hindrance-Induced Amorphous Lithium Sulfide Deposition Accelerates Sulfur Redox Kinetics in Lithium-Sulfur Batteries

朱贺教授简介：南京理工大学材料学院/格莱特研究院教授，博士生导师，入选国家级海外高层次青年人才、江苏特聘教授，江苏科技副总，南京理工大学“青年拔尖选聘人才”。研究方向为亚稳态（非晶、高熵材料等）无序材料设计及其在能源催化领域的应用。现已发表学术论文百余篇，包括以第一/通讯作者（含共同）在Nature Energy、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Angew Chem. Int. Ed.、Adv. Energy Mater.等高影响力期刊发表论文40篇，ESI前1%高被引论文11篇，H因子37。主持国家自然科学基金面上项目等国家级/省部级项6项。担任中国晶体学会固体局域结构专委会委员，江苏省颗粒学会能源颗粒专委会委员等；Chinese Chemical Letters编委，Rare Metals学术副主编，Carbon Neutralization、Microstructures等期刊青年编委。

兰司教授简介：南京理工大学教授、博导，现任江苏省先进纳米结构与功能材料高校重点实验室主任、国家级国合基地副主任，入选国家高层次人才计划、国家基金委优青、国家重点研发计划青年科学家、江苏省杰青、江苏省青蓝工程优秀教学团队带头人、江苏省333中青年学术带头人、江苏省六大人才高峰等称号。长期从事先进亚稳态合金材料、微纳构筑与性能调控、中子与同步辐射原位散射等研究，主持国家重点研发计划青年科学家项目、国家自然科学基金优秀青年、面上项目、国际合作项目、江苏省自然基金杰出青年基金项目等多项课题。在Nature Materials、Nature Catalysis、Nature Communications、Advanced Materials、Acta Materialia、Physical Review Letters等顶级SCI期刊发表学术论文百余篇，申请国家发明专利42项，授权16项。担任中国金属学会非晶合金分会委员，国际科学组织VEBLEO会士，国际期刊cMat副主编、稀有金属（中、英文）编委、JMST、MRL、金属学报等国际期刊青年编委。荣获2021年中国十大新锐科技人物、2022年教育部高等学校科学研究优秀成果奖（自然科学）二等奖、2022年江苏省行业领域十大科技进展、江苏省材料学会科学技术特等奖、2023年中国国际大学生创新大赛金奖指导教师、2024年江苏省微课教学大赛一等奖等奖项，入选2024全球前2%顶尖科学家榜单。

王志华：南京理工大学材料科学与工程学院/格莱特研究院博士研究生，主要研究方向为锂硫电池中（多）硫化锂的转化机制，以第一作者在Adv. Mater., Angew Chem. Int. Ed.等期刊发表论文7篇。