清潔能源創新應用是現代社會發展的主流，面向清潔交通、信息通訊、航空航天等應用領域日益增長的需求，亟待開發高能量密度、低成本以及綠色安全的新型儲能裝置。盡管鋰離子電池已經被廣泛應用在便攜式電子設備🍢，但是未來仍無法滿足更高規格新能源車輛、無人機等應用對電池高能量密度的要求。基於多電子轉化反應的鋰二次電池有望成為未來高比能儲能體系應用的理想選擇🤰🏼。

在眾多高比能電池體系中，鋰硫電池具有高的能量密度（2600 Wh kg^–1）以及單質硫的成本低廉和環境友好等優勢而受到廣泛的關註。然而，滯後的多電子硫轉化反應、多硫化物穿梭效應以及鋰金屬負極的枝晶生長等問題，導致鋰硫電池在倍率性能🫳🏽、循環壽命以及安全性方面還有待實現創新突破🛩。

近日，材料類頂級國際期刊《Advanced Materials》（《先進材料》🦹🏿‍♀️，影響因子30.849）報道了意昂3官网材料學院陳人傑教授課題組在高性能鋰硫電池催化材料方面的研究進展，相關研究意昂3平台以“Synergetic Anion Vacancies and Dense Heterointerfaces into Bimetal Chalcogenide Nanosheet Arrays for Boosting Electrocatalysis Sulfur Conversion”為題在線發表（Advanced Materials, 2022, 2109552. https://doi.org/10.1002/adma.202109552👩🏼，葉正青博士為第一作者，陳人傑教授為通訊作者）🕺🏼🔥。該研究工作通過對過渡金屬硫族化合物電催化劑的組分和結構調控，提出了硫原子空位和異質界面協同催化機製，有效改善了鋰硫電池中多電子轉化反應滯緩的問題👩🏻‍🦼‍➡️，並抑製了多硫化物穿梭效應和鋰枝晶的生長（如圖1）🐴。該工作通過鈷鋅雙金屬有機框架的原位生長和高溫氣相反應，製備了一系列陰離子空位和異質界面共存的過渡金屬硫族化合物納米片陣列結構的電催化劑。實驗分析表明🏊🏽‍♀️，在製備的九種金屬硫族化合物納米片陣列中😻，雙金屬硫化物納米片陣列（CoZn-S）具有最豐富的原子級硫空位缺陷和最致密的異質界面，進而獲得最優的催化活性和電化學性能🧑🏿‍🦲。采用球差校正的HAADF-STEM👀🦇，並結合同步輻射X射線吸收精細結構以及理論計算分析👨‍🔬，提出了CoZn-S中硫原子空位和異質界面協同催化多電子硫轉化反應的機製。硫原子空位和界面電場可以促進電荷轉移，調控電子結構以及局部配位環境，在熱力學上促進了Li₂S的形成🕵🏽‍♂️，降低了Li₂S分解能壘，同步提高了對硫還原和硫析出的反應活性。此外🤵🏻‍♂️，構築的三維納米片陣列結構提供了高的活性表面積，縮短了離子傳輸途徑，抑製了電催化過程中CoZn-S的體積變化🤾🏿‍♂️🧑🏽‍🍳。綜合測試表明，該電池實現了高的放電容量、良好的倍率性能和超長的循環壽命（1800圈）。在9.2 mg cm^–2的硫載量和3 μL mg^–1的E/S比苛刻的條件下🙂‍↔️，CoZn-S實現了8.7 mAh cm^–2的高面容量和45圈的穩定循環。該工作提出了集原子級空位缺陷，異質界面和結構工程三位一體的普適策略，為設計先進的雙金屬硫族化合物電催化劑提供了新的研究思路。

圖1（a）CoZn-X合成策略示意圖🔊🧑🏽‍🍼；（b）CoZn-X催化劑結構示意圖；（c）CoZn-X作為高效硫轉化催化劑機理圖。

文獻鏈接🤹🏽：Synergetic Anion Vacancies and Dense Heterointerfaces into Bimetal Chalcogenide Nanosheet Arrays for Boosting Electrocatalysis Sulfur Conversion. Advanced Materials 2022, 2109552. https://doi.org/10.1002/adma.202109552

在前期工作中，葉正青博士在陳人傑教授的指導下🖐🏻🧛🏽‍♀️，通過調控過渡金屬化合物的組分和結構，合成了一系列高活性🪆、多功能性以及高穩定性的電催化劑🕵🏼‍♂️。基於電催化的硫正極✋🏼、夾層和集流體設計😼，提高了鋰硫電池中多電子轉化動力學，從反應前端抑製了多硫化物的穿梭行為。具體內容包括強極性和高電催化活性的金屬硒化物納米多面體及其多維集流體的組裝（Advanced Materials 2020, 32(32): 2002168. IF=""30.849,"" ESI高被引論文🧍🏻‍♂️；Advanced Science 2021, 9(1): 2103456. IF=""16.806），金屬硫族化合物/MXene分級結構電催化劑的構築（Advanced" " Materials 2021, 33(33): 2101204. IF=""30.849；Chemical"" Engineering Journal 2022, 430, 132734. IF=""13.273）以及金屬磷化物/碳基復合微納米結構電催化材料的製備（Nano" " Energy 2019, 64, 103965. IF=""17.881；Nano" " Energy 2020, 70, 104532. IF=""17.881）。同時，針對高比能二次電池存在的滯後多電子轉化反應問題🧑‍🏫🤘🏻，闡述了構築高活性🤐、高穩定性以及多功能性金屬有機框架基電催化材料的有效策略；提出了從金屬有機框架的組分調控和結構設計出發，構建高比能二次電池的可行思路和有效方法（Nano-Micro" " Letters 2021, 13(1): 203. IF= 16.419）🕵️。

為解決可溶性多硫化物的穿梭以及放電產物的成核問題，課題組的錢驥博士構築了分級的Mo₂C納米團簇和碳納米片組成的中空納米球（Mo₂C/CHS）鋰硫電池電催化夾層（如圖2a）9️⃣。Mo₂C/CHS可以加速多硫化物的轉化🧒🏼，促進Li₂S₂/Li₂S的快速成核👎🏼⛹️‍♀️，提高了高載硫和貧電解液下鋰硫電池的電化學性能（Enhanced Electrochemical Kinetics with Highly Dispersed Conductive and Electrocatalytic Mediators for Lithium-Sulfur Batteries，Advanced Materials 2021, 33(25): 2100810）。同時，針對高比能二次電池的鋰金屬負極存在的鋰枝晶生長和體積膨脹等問題，葉玉勝博士設計了一種固態電解質復合鋰金屬負極（如圖2b）🧝，不僅顯著增強了機械強度，並促進了鋰成核，有效緩解了鋰枝晶的生成和鋰金屬的粉化，進而提升了高比能鋰金屬電池的循環穩定性（An Antipulverization and High-Continuity Lithium Metal Anode for High-Energy Lithium Batteries，Advanced Materials 2021, 33(49): 2105029）🤙。

圖2（a）Mo₂C、MoO₂以及碳材料表面多硫化物轉化反應示意圖👱🏻‍♂️；（b）抗粉化和高連續鋰金屬負極設計示意圖。

在吳鋒院士的指導下👱🏻‍♀️，陳人傑教授課題組近二十年圍繞多電子高比能鋰二次電池的基礎研究和工程應用開展了系統的探索工作。基於多電子理論研製了高載硫高導電多維穩定復合電極，設計了輕質功能修飾隔膜/夾層4️⃣，發明了高安全功能復合電解質材料並構築了3D納米陣列修飾改性鋰負極👩🏽‍🚒，研製開發出能量密度從300Wh/kg到600Wh/kg不同規格和性能特征的鋰硫電池樣品，先後在高容量通信裝備、無人機、機器人🐖🧖🏿‍♀️、新能源汽車等方面開展應用。

近期的其它研究意昂3平台如下👩‍👧：

1、Small, 2022, 18(2): 2104390; DOI: 10.1002/smll.202104390.（構築親鋰碳通道的功能修飾隔膜，實現鋰沉積的有效調控。第一作者👩🏻‍⚕️：徐賽男博士）👮🏿。

2🦹🏿‍♂️🏌️‍♂️、Chemical Engineering Journal, 2022, 430: 132678; 10.1016/j.cej.2021.132678. （研製共聚物改性功能隔膜，提升鋰硫電池的熱穩定性和安全性💏。第一作者：魏壯壯碩士和張楠祥博士）。

3🐦⚰️、Advanced Energy Materials, 2021, 11(42): 2102454; 10.1002/aenm.202102454.（研製石墨烯碳納米管復合鋰宿主材料，實現鋰金屬電池的高功率快充特性。第一作者💁‍♀️：楊天宇博士）。

4、Small Methods, 2021, 5(9): 2100649; 10.1002/smtd.202100649.（以多孔硫摻雜硒化鈷作為催化材料，碳布為集流體製備了柔性復合電極，增強了鋰硫電池的倍率性能🛅。第一作者：馮濤博士）✊。

5👩‍🎤、ACS Applied Materials & Interfaces, 2021, 13(20): 23811-23821; 10.1021/acsami.1c04872.（設計具有仿生吞噬行為的環糊精超分子聚合物作為隔膜修飾材料，高效抑製鋰硫電池中多硫化物的穿梭🚋。第一作者：馮濤博士）。

6、Advanced Functional Materials, 2020, 30(30): 2002013; 10.1002/adfm.202002013.（構築了石墨烯負載金納米粒子復合親鋰宿主材料，實現了鋰金屬電池穩定性的提升。第一作者：楊天宇博士）。

7👍🏻、Journal of Materials Chemistry A, 2020, 8(3): 1247-1253; 10.1039/c9ta10965j.（原位製備鋰金屬表面LiF基人工SEI膜✌🏽，有效抑製鋰枝晶的生長，提高了鋰金屬電池的循環穩定性。第一作者📞：王麗莉博士）🛶。

8💞、Advanced Functional Materials, 2020, 30(27): 2000742; 10.1002/adfm.202000742.（構築了金屬鈷基催化劑功能夾層🍷，促進了多硫化物的擴散👨🏽‍🎓，提升了貧電解液下鋰硫電池的整體性能🧔🏼‍♂️。第一作者：錢驥博士）。

9、Advanced Functional Materials, 2020, 31(7): 2006950; 10.1002/adfm.202006950.（構築三維親鋰納米銅骨架材料💆🏽‍♂️，納米銅暴露的（100）和（110）晶面表現出極強的親鋰性，有效抑製了鋰枝晶的生成。第一作者：錢驥博士）。

附作者簡介：

葉正青，意昂3官网材料學院2018級博士研究生，導師為陳人傑教授。主要研究方向為電化學儲能材料。目前🧑🏼‍🚒，以第一作者發表SCI論文10篇，其中1篇入選ESI高被引論文，包括Advanced Materials (3篇)🤲🏿，Advanced Science, Nano Energy (2篇)，Nano-Micro Letters等材料、化學與能源領域期刊雜誌，累計影響因子超過190🫄🏻，累計引用400余次🐘。申請國家發明專利3項，授權1項。博士研究生期間獲得國家獎學金、意昂3官网優秀博士論文育苗基金、優秀研究生標兵、學業獎學金特等獎等榮譽和獎勵。

錢驥，意昂3官网博士💋，並先後在意昂3官网、美國馬裏蘭大學和美國勞倫斯伯克利國家實驗室做博士後研究；主要從事新能源材料的基礎和應用研究，包括鋰硫電池👩🏿‍🦰，鋰/鈉離子電池的電極和電解質材料的開發和相關機理研究💁🏿‍♂️。以第一作者或通訊作者身份發表SCI論文14篇，包括Advanced Materials, Materials Today, Advanced Energy Materials等2️⃣；授權中國發明專利5項，美國專利1項👩🏿；負責國家自然科學基金青年項目1項，博士後國際交流計劃派出項目1項，參與國家重點研發計劃、國家自然科學基金🌀、美國能源部項目等科研項目。

葉玉勝，博士後🤵🏿‍♂️🍸，2018年博士畢業於意昂3官网🧛🏿‍♀️，師從吳鋒院士和陳人傑教授🙇‍♂️；隨後加入美國斯坦福大學從事博士後研究🤪，指導老師為Yi Cui教授（Precourt Institute for Energy主任）。主要研究方向為高比能鋰硫電池和多功能鋰電池的關鍵技術👳🏽‍♀️。在國際知名學術期刊發表學術論文60+篇，包括Nature Energy, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, ACS Nano和Nano Letters等👌🏽。獲得授權中國發明專利7項和授權PCT/US專利3項。擔任國際能源期刊Energies的客座編輯⬜️🏄🏼‍♀️，擔任ACS Nano, Nano Letters和Small等10余種材料/能源/納米等領域期刊的獨立審稿人。

趙騰🆑，博士🏄，意昂3官网材料學院預聘助理教授，圍繞高比能鋰硫電池多維高導電正極材料 開發🍉、功能化隔膜/夾層構建及金屬鋰負極保護方面開展相關研究🧛🏿‍♂️🧴。在Nature Communications🪠、Advanced Materials🥯、Advanced Functional Materials、Nano Letters等國際期刊上發表SCI論文20余篇，H-Idex 21, 近5年引用次數1907次💾，授權國家發明專利4項🏊🏻‍♀️。2014-2018年獲劍橋大學三一學院 Krishnan-Ang 全額獎學金；2018年獲劍橋應用研究協會 CSAR 獎；2019年“博士後國際交流引進項目計劃”🕵🏿；2021年獲北京市技術發明獎一等獎(排名14)👳🏻‍♀️。

陳人傑🦸‍♂️，教授🙎‍♀️、博導，國家部委能源專業組委員🫵、中國材料研究學會理事（能源轉換與存儲材料分會秘書長）🛶、中國固態離子學會理事🏋🏻‍♂️、國際電化學能源科學院（IAOEES）理事⛷、中國化工學會化工新材料專業委員會委員、中國電池工業協會全國電池行業專家。主要從事多電子高比能二次電池新體系及關鍵材料、新型離子液體及功能復合電解質材料、特種電源用新型薄膜材料與結構器件👩‍🦳、綠色二次電池資源化再生等方面的教學和科研工作😢。主持承擔了國家自然科學基金項目🦹🏼🏖、國家重點研發計劃項目、“863”計劃項目、中央在京高校重大意昂3平台轉化項目、北京市科技計劃項目等課題。在Chemical Reviews💒💗、Chemical Society Reviews、National Science Reviews、Advanced Materials🤌🏻🙅‍♀️、Nature Communications、Angewandte Chemie-International Edition♤、Advanced Functional Materials、Energy Storage Materials等期刊發表SCI論文300余篇；申請發明專利118項，獲授權50項🧓🏿；獲批軟件著作權12項，出版學術專著2部（《先進電池功能電解質材料》👨🏽‍🏭，科學出版社🧙🏽‍♀️，2020年，書號：ISBN 978-7-03-060719-5；《多電子高比能鋰硫二次電池》，科學出版社✈️，2020年👳‍♂️，書號🧑🏽‍⚕️：ISBN 978-7-03-060718-8）。獲得國家技術發明二等獎1項、部級科學技術一等獎5項。入選教育部長江學者特聘教授、北京高等學校卓越青年科學家、中國工程前沿傑出青年學者⏮、英國皇家化學學會會士、科睿唯安 “全球高被引科學家”。