硫正极动力学缓慢来源于锂离子脱溶剂化能垒高，其根源主要是亥姆霍兹内层（IHP）的界面结构。
基于此，中国科学院福建物质结构研究所王要兵研究员&德国卡尔斯鲁厄理工学院电化学研究所王健&武汉理工大学刘韩星提出电化学串联催化与空间纳米限域相结合的协同策略，调控溶剂化锂离子的动力学行为。作为概念验证，原位构筑多孔共价有机框架 TPBD 修饰的 MXene 复合材料，将其用作串联动力学促进层。理论模拟与原位拉曼测试表明：多孔 TPBD 层对大体积的溶剂化锂离子起到限域与空间筛分作用，加快锂离子扩散；与此同时，带负电的 MXene 基底可以破坏阴离子‑溶剂之间的相互作用，在亥姆霍兹内层重构溶剂化结构，提升锂离子动力学以及硫氧化还原的可逆性。组装电池获得 0.77 的高锂离子迁移数，可实现 1000 次长循环；在 7.51 mg cm⁻² 高硫负载下，0 ℃条件面容量大于 6 mAh cm⁻²，50 ℃下也具备优异倍率性能。制备的软包电池稳定循环 100 圈以上，证实这种将催化与纳米限域相结合的新策略，能够实现锂硫电池快速串联氧化还原动力学。
图 1｜原理示意图与材料结构表征
(A) 锂离子脱溶剂化壳层演变示意图。(B) TPBD/MXene 加速硫双向转化的示意图。(C) TEM 透射电镜图。(D) HRTEM 高分辨透射电镜图。(E) HAADF‑STEM 高角环形暗场扫描透射电镜与元素映射图。(F) XRD X 射线衍射图谱。(G) 孔径分布曲线。(H) 所得材料 Ti 2p 的 XPS 谱图。
TPBD/MXene 异质结在界面处完成溶剂化锂离子脱溶剂，同时催化硫物种双向转化，界面富集接触离子对 CIP、离子聚集体 AGG。 C‑E：电镜证明 TPBD 均匀生长在 MXene 表面，Ti、C、N 元素均匀分布，成功构建异质界面。XRD、BET 孔径、XPS 证明 TPBD 与 MXene 存在强化学相互作用，形成内建电场；材料具备微孔可实现离子筛分；Ti‑C‑O、Ti‑O、Ti‑C 键证明 TPBD 成功接枝在 MXene 表面。
图 2｜锂离子溶剂化结构与脱溶剂化动力学协同调控
(A) 脱溶剂化催化与离子筛分原理示意图。(B) TPBD/MXene 改性隔膜体系电解液的原位拉曼谱图；(C) 对应的锂离子溶剂化结构演变示意图。(D) 锂离子迁移数和离子电导率。(E、F) 普通电解液、引入 TPBD 后的分子动力学模拟快照。(G) Li‑O 径向分布函数 RDF 以及对应配位数。
TPBD 孔道筛分大体积溶剂化锂离子，剥离外层溶剂鞘，再由 MXene 完成后续脱溶剂过程。原位拉曼证实改性界面 CIP+AGG 占比高达 94%，实现局部溶剂化重构，排开大体积溶剂分子。锂离子迁移数从 0.55 提升至 0.77，离子电导率由 0.17 提升至 0.29 mS cm⁻¹。分子动力学模拟显示 Li‑O 配位数由 10.15 降至 5.22，锂‑溶剂相互作用被削弱，脱溶剂化阻力显著下降。
图 3｜TPBD/MXene 双功能：强化脱溶剂化与多硫化物锚定
(A) TPBD/MXene、(B) TPBD 表面吸附Li(DME)4+的差分电荷密度（侧视图）。(C) 不同基底上Li(DME)4+与TFSI−的结合能。(D) 脱溶剂化能量。(E) 硫还原反应吉布斯自由能图。(F) 含Li2S电解液对称电池 CV 循环伏安曲线。(G)Li2S恒电压析出曲线。(H) 多硫化物吸附前后 S 2p XPS 谱图。
差分电荷、结合能证明异质结和溶剂化锂、阴离子存在强相互作用；Li(DME)4+脱溶剂能垒从 0.4 eV 降至 0.2 eV。硫还原全流程吉布斯自由能降低，限速步骤Li2S2→Li2S热力学障碍明显减小。对称电池极化更小、响应电流更高；Li2S成核容量达到 379.56 mAh g⁻¹，催化能力远优于纯 TPBD。XPS 证明多硫化物与材料发生强化学作用，生成硫代硫酸盐、聚硫酸盐，实现化学锚定。
图 4｜改性隔膜抑制锂枝晶的 COMSOL 多物理场仿真
分别展示 TPBD/MXene 隔膜 (A, C, E) 和普通 PP 隔膜 (B, D, F) 的电场分布、锂离子浓度分布、电流分布。
TPBD/MXene 功能层能够匀化电场、锂离子浓度、电流密度，消除局部热点，实现均匀锂沉积；普通 PP 隔膜会发生电场畸变、局部锂离子富集，诱发锂枝晶生长。
图 5｜多硫化物穿梭抑制与界面稳定的原位、非原位表征
(A) LiS2−、(D) F−的 TOF‑SIMS 深度剖析；(B,C) LiS2−、(E,F) F− 二维二次离子分布图。采用 PP 隔膜 (G)、TPBD/MXene 隔膜 (H) 的锂硫电池，循环过程时间分辨原位拉曼光谱。
TOF‑SIMS 结果：TPBD/MXene 体系LiS2−信号更低，多硫化物穿梭得到抑制；界面 F⁻富集，形成富含 LiF 的保护层，稳定锂金属负极界面。原位拉曼PP 隔膜体系循环过程可以检测大量可溶性多硫化物信号；TPBD/MXene 体系几乎检测不到多硫化物，说明多硫化物在界面被快速催化转化，抑制穿梭效应。
图 6｜锂硫电池综合电化学性能
(A) 不同扫描速率下 CV 等高线图。(B) 1 C 长循环性能。(C) 与已发表文献性能对比雷达图。(D) 室温倍率性能。(E) 50 ℃倍率性能。(F) 0 ℃下循环性能。(G) 软包电池循环性能。
电池 1 C 可稳定循环 1000 圈，单圈衰减仅 0.02%；硫载 9.72 mg cm⁻² 时面容量可达 10.03 mAh cm⁻²。实现宽温运行：0 ℃高硫载、贫电解液条件 259 次循环面容量 6.53 mAh cm⁻²，50 ℃同样拥有良好倍率；软包电池 100 次循环容量保持率＞85%，向实用化迈进。
为调控亥姆霍兹内层（IHP），本文提出电化学串联催化结合空间纳米限域的协同策略，调控溶剂化锂离子\Li(solvent)x+动力学。不同于传统电解液改性手段，该界面设计构建出双功能平台：异质结的内建电场与有序孔道大幅降低多硫化物转化的活化能垒，同时匀化锂离子通量，抑制锂枝晶生长。因此，在 9.72 mg cm⁻² 高硫负载下，电池实现 10.03 mAh cm⁻² 的优异面容量。即使在 0 ℃、硫负载 8.36 mg cm⁻²、低电解液‑硫比的严苛条件下，电池经过 259 次循环仍保有 6.53 mAh cm⁻² 高面容量；在 7.51 mg cm⁻² 高硫负载下，50 ℃同样表现出优异的倍率性能。令人鼓舞的是，组装得到的软包电池循环 100 次后容量保持率超过 85%。这种以催化为核心的亥姆霍兹内层界面工程策略，为高性能、宽温域锂硫电池的理性设计开辟了全新路径。
Nanoconfinement-cooperated catalysis enables rapid tandem redox kinetics for wide-temperature lithium-sulfur batteries.
Sci. Adv. 12, eaej0353 (2026).
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aej0353
文章来源：电解质前沿
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