2026年3月30日，深圳大學(xué)深地工程智能建造與健康運(yùn)維全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（以下簡(jiǎn)稱(chēng)全重實(shí)驗(yàn)室）王丹教授團(tuán)隊(duì)在《自然·可持續(xù)發(fā)展》（Nature Sustainability）在線(xiàn)發(fā)表題為“Spatially coupled adsorption and catalysis for sustainable lithium-sulfur batteries”的研究論文。該工作創(chuàng)新性地構(gòu)建了一種sp氮摻雜石墨炔多殼層中空結(jié)構(gòu)（HoMS），基于此結(jié)構(gòu)，形成了一種“吸附-催化空間耦合”的全新電極設(shè)計(jì)策略，為高能量密度、可持續(xù)鋰硫電池的發(fā)展提供了重要支撐，也標(biāo)志著全重實(shí)驗(yàn)室在“深地深海深空綠色能源開(kāi)發(fā)”(低碳綠色能源理論與技術(shù))這一重點(diǎn)研究方向取得了重要突破。

鋰硫電池因其超高理論能量密度和硫資源豐富、成本低廉，被認(rèn)為是下一代儲(chǔ)能技術(shù)的重要候選。然而，其實(shí)際應(yīng)用長(zhǎng)期受限于多硫化物穿梭效應(yīng)、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)緩慢以及高負(fù)載條件下性能衰減等關(guān)鍵瓶頸。傳統(tǒng)解決方案通常依賴(lài)引入大量宿主材料或催化劑，雖然提升了穩(wěn)定性，卻顯著增加了“無(wú)效質(zhì)量”，反而降低了電池整體能量密度。 針對(duì)這一核心矛盾，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地構(gòu)建了一種sp氮摻雜石墨炔多殼層中空結(jié)構(gòu)（sp-N GDY HoMS），在材料內(nèi)部實(shí)現(xiàn)吸附位點(diǎn)與催化位點(diǎn)的空間耦合。該結(jié)構(gòu)通過(guò)軌道重疊增強(qiáng)電子傳輸與電荷重分布，不僅強(qiáng)化了多硫化物的吸附，還顯著加速其氧化還原反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，從根本上實(shí)現(xiàn)“高效催化+輕量化設(shè)計(jì)”的統(tǒng)一。得益于這一設(shè)計(jì)，該體系在接近實(shí)際應(yīng)用條件下實(shí)現(xiàn)了高達(dá)93.9%的超高硫負(fù)載，獲得接近理論極限的比容量（1,462 mAh g?1，以硫+宿主總質(zhì)量計(jì)），并在10C高倍率下仍保持優(yōu)異性能，循環(huán)600次后依然穩(wěn)定。同時(shí)，軟包電池能量密度達(dá)到約457 Wh kg?1，展示出良好的工程應(yīng)用潛力。

本工作中sp氮摻雜石墨炔多殼層中空結(jié)構(gòu)（HoMS）及鋰硫電池關(guān)鍵性能

機(jī)理研究表明，sp氮位點(diǎn)與鄰近碳原子的協(xié)同作用是性能提升的關(guān)鍵，其誘導(dǎo)形成的高密度極化活性位點(diǎn)能夠同時(shí)促進(jìn)多硫化物的固定與轉(zhuǎn)化。此外，多殼層結(jié)構(gòu)提供的分級(jí)空間限域與高效離子傳輸通道，也顯著提升了體系的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。該研究突破了鋰硫電池領(lǐng)域長(zhǎng)期存在的能量密度—循環(huán)穩(wěn)定性權(quán)衡瓶頸，提出了一種可推廣的材料設(shè)計(jì)范式，為發(fā)展高性能、資源高效的下一代儲(chǔ)能體系提供了新思路，對(duì)推動(dòng)綠色能源存儲(chǔ)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化具有重要意義，該成果也將為全重實(shí)驗(yàn)室“三深”能源資源開(kāi)發(fā)與利用方向提供關(guān)鍵性的儲(chǔ)能技術(shù)支撐。

本工作第一完成單位為深圳大學(xué)深地工程智能建造與健康運(yùn)維全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41893-026-01794-y

（深地工程智能建造與健康運(yùn)維全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 供稿）