锂硫（Li-S）电池的应用受到正极的穿梭效应与硫转化动力学迟滞，以及锂负极界面不稳定性的严重制约。催化剂设计和构建稳定的固体电解质界面（SEI）是克服这些挑战的关键策略。2025年12月5日，浙江大学/硅及先进半导体材料全国重点实验室潘洪革（国家杰青/长江学者）、浙江大学孙文平（国家杰青）团队在Advanced Functional Materials期刊发表题为“Atomically Dispersed Cr-Enhanced Zeolite Catalysts for Accelerated Sulfur Conversion and Interphase Stabilization”的研究论文，浙江大学Zhang Xiaomin为论文第一作者，潘洪革、孙文平、浙江工业大学张萧玉为论文共同通讯作者。
该研究报道了一种双功能催化剂，其通过将原子分散的铬（Cr）位点引入锂化沸石中而制备。该方法不仅加速了硫物种的转化并有效抑制了穿梭效应，还利用钠（Na）交换沸石中残留的钠（Na）离子在锂负极上形成了坚固的氟化锂/钠（Li/Na）杂化SEI，从而提升了比容量与循环稳定性。因此，采用该催化剂的锂硫电池在0.5C倍率下初始容量达到1130.3 mAh g⁻¹，100次循环后仍保持957.4 mAh g⁻¹，并展现出优异的倍率性能，在5C下容量为701.3 mAh g⁻¹。此外，软包电池实现了366 Wh kg⁻¹的能量密度，彰显了其在实际应用中的卓越潜力。
锂硫（Li─S）电池因其极高的理论比容量（1675 mAh g⁻¹）与能量密度（2600 Wh kg⁻¹），远超常规锂离子体系，作为一种极具潜力的下一代储能系统而备受关注。然而，其实用化仍面临若干关键挑战。首先，多硫化锂（LiPSs）的穿梭效应与缓慢转化动力学导致严重的容量衰减和循环稳定性差。为解决这些问题，广泛研究聚焦于硫宿主设计、电解质优化、隔膜改性和催化剂设计等策略。在这些策略中，将催化材料引入锂硫电池已被证明能有效缓解穿梭效应并加速LiPSs转化，从而提升电化学性能。目前已开发出多种催化剂，包括金属氧化物、金属硫化物、金属有机框架（MOFs）和共价有机框架（COFs）。 除了硫正极相关的挑战之外，锂金属负极的不稳定性构成了锂硫电池的另一个关键瓶颈。锂与电解质之间不受控制的界面反应会持续消耗活性锂，导致形成脆弱的固体电解质界面（SEI）并促使锂枝晶生长，从而严重损害电池的安全性与循环稳定性。此外，可溶性的LiPSs会强烈腐蚀锂负极，进一步加速容量衰减并恶化循环寿命。针对这些问题，研究人员探索了多种SEI工程策略，例如使用电解质添加剂和构建人工SEI层，这两种方法均能有效稳定锂金属/电解质界面。例如，Song等人采用了一种富氟酯类添加剂——3,3,3-三氟丙基碳酸酯（TFPC），该添加剂可在锂负极上诱导原位界面反应，生成兼具高离子电导率和机械强度的SEI层。类似地，Han等人在锂负极上构建了有机/无机杂化人工SEI，有效增强了界面稳定性。
然而，现有研究大多仅聚焦于解决单一硫正极或锂负极所面临的挑战，而能够协同优化正极与负极的综合策略仍探索不足。在此，该研究提出了一种双功能策略，该策略协同结合了硫转化的催化加速与锂负极界面稳定。具体而言，原子分散的铬（Cr）位点被引入锂化沸石中，沸石骨架可抑制LiPSs穿梭，而Cr位点则进一步增强了硫的氧化还原动力学。同时，锂化沸石中残留的Na⁺离子可在锂负极上触发原位形成坚固的氟化锂/钠（Li/Na）杂化SEI，有效缓解枝晶生长和界面劣化。因此，基于该策略的锂硫电池展现出超高的比容量和优异的循环稳定性，并在5C倍率下仍保持701.3 mAh g⁻¹的高容量。即使在9.0 mg cm⁻²的高硫载量下，电池在0.1C倍率下循环100次后仍能提供748.6 mAh g⁻¹的高比容量（面容量=6.7 mAh cm⁻²）。此外，安时（Ah）级别的软包电池在80 mA电流下实现了优异的366 Wh kg⁻¹能量密度，凸显了该催化剂在下一代锂硫电池中的应用潜力。
图1. a) NaX、LiX和Cr-LiX的XRD图谱，b) Li 1s和c) Cr 2p的高分辨率XPS谱，d) Cr-LiX的HRTEM图像，e) Cr-LiX的AC-STEM及线扫描剖面，f) Cr-LiX的元素分布图，g) Cr-LiX与Cr参比物的Cr K边XANES谱，h) Cr-LiX与Cr参比物的R空间EXAFS谱，i) Cr-LiX的Cr K边EXAFS小波变换。
图2. a) 不同样品吸附Li₂S₆的视觉吸附实验与紫外-可见光谱，b) LiX与Cr-LiX催化剂还原S₈的LSV曲线，c) Cr-LiX和LiX电极的Li₂S成核测试与f)去核测试，d) 基于Cr-LiX和LiX电极的对称电池CV曲线及e)对应的LSV曲线，g–i) 使用不同隔膜的锂硫电池在不同扫速下CV曲线的等高线图。
图3. a) 原位拉曼测试示意图，使用b) PP隔膜和c) Cr-LiX改性隔膜的锂硫电池原位拉曼测试，使用d) PP隔膜和e) Cr-LiX改性隔膜的锂硫电池原位XRD及对应充放电曲线，f) S₈还原的吉布斯自由能计算，g) LiX-Li₂S₆与Cr-LiX-Li₂S₆的差分电荷密度和结合能。
图4. a) 使用PP和Cr-LiX改性隔膜的Li//Li对称电池在0.5 mA cm⁻²下的循环性能，b) 循环后锂负极表面在不同刻蚀深度下的XPS谱，c) 循环后使用Cr-LiX改性隔膜的锂硫电池中锂负极的ToF-SIMS分析，循环后使用d) PP和e) Cr-LiX改性隔膜的锂硫电池中锂负极的SEM图像，f) Cr-LiX在锂硫电池循环过程中功能作用的示意图。
图5. a) 使用不同隔膜的锂硫电池在0.1 mV s⁻¹下的CV曲线，b) 使用不同隔膜的锂硫电池在0.5C下的循环性能，c) 使用不同隔膜的锂硫电池在不同倍率下的倍率性能，d) 使用不同隔膜的锂硫电池在0.2C下的充放电曲线，e) 使用不同隔膜的锂硫电池在1C下的长循环性能，f) 使用Cr-LiX改性隔膜的锂硫电池在3.8和9 mg cm⁻²高硫载量下于0.1C的循环性能，g) 使用Cr-LiX改性隔膜的软包电池性能，h) 本工作与其他工作的性能对比。
总之，该研究开发了一种用于锂硫电池的双功能催化剂，其将多硫化物转化的催化调控与锂负极的界面工程相结合。将原子分散的Cr位点引入锂化沸石中，不仅极大地加速了硫的氧化还原动力学并有效抑制了LiPSs穿梭，还实现了坚固的氟化锂/钠（Li/Na）杂化SEI的原位构建，从而减轻了枝晶生长和界面劣化。因此，采用该催化剂的锂硫电池在0.5C倍率下表现出优异的循环稳定性，100次循环后容量为957.4 mAh g⁻¹，甚至在5C的高倍率下仍能保持701.3 mAh g⁻¹的容量。在高达9 mg cm⁻²的硫载量下，100次循环后的比容量达到748.6 mAh g⁻¹（面容量=6.7 mAh cm⁻²），且软包电池实现了366 Wh kg⁻¹的能量密度。该工作为开发高性能锂硫电池提供了新的见解。
文章引自《第一性原理计算》公众号
