锂-硫电池作为最具前途的、可替代锂离子电池的储能器件之一，具有超高的理论能量密度、储备丰富的正极活性材料、价格低廉等优点。然而，锂-硫电池正极侧活性硫物种及放电产物电导率低，硫物种转化动力学迟滞，引发电化学接触差，高体积膨胀，“穿梭效应”严重，活性物种不可逆损失等一系列问题，导致电池容量衰减迅速，严重阻碍了锂-硫电池的实际应用。
在此，浙江万里学院碳中和研究院王新，中国科学院大连化学物理研究所陈忠伟等人通过制备负载高自旋态钴原子（HSCo/TiO₂₋ₓ）的多孔、低配位二氧化钛纳米片，将其作为高效电催化剂。
低配位的TiO₂₋ₓ纳米片提供了丰富的边缘活性位点，有利于钴原子的嵌入，从而在循环过程中保持结构稳定性。高自旋态的钴原子提供了大量未配对的3d轨道电子，促进了与多硫化物的电子转移和轨道杂化，有效抑制了穿梭效应并加速了多硫化物的转化动力学。
实验表明，采用HSCo/TiO₂₋ₓ修饰隔膜的Li-S电池在10.9 mg cm⁻²的高硫载量下实现了8.05 mAh cm⁻²的面积容量。此外，组装的Li-S软包电池展现出0.47 Ah的初始放电容量和379.3 Wh kg⁻¹的高能量密度。
图1. 电池性能
总之，该工作成功合成了一种高效硫电催化剂——负载高自旋态钴的多孔低配位TiO₂纳米片（HSCo/TiO₂₋ₓ）。TiO₂纳米片的多孔结构提供了丰富的低配位活性位点，有效锚定了钴原子。与传统的孤立单原子钴不同，HSCo/TiO₂₋ₓ中的钴原子嵌入TiO₂晶格结构中，显著提升了循环过程中的结构稳定性。磁化率-温度测试证实钴原子处于高自旋态，具有大量未配对电子，能够与多硫化物快速交换电子并形成轨道杂化，从而抑制穿梭效应并提升转化动力学。
基于此，采用HSCo/TiO₂₋ₓ修饰隔膜的Li-S电池表现出优异的性能：在0.2 C倍率下初始容量为1176.53 mAh g⁻¹，1 C倍率下循环500次后容量衰减率仅为0.06%，5 C倍率下容量仍达647.73 mAh g⁻¹。此外，在高硫载量（10.9 mg cm⁻²）下实现了8.05 mAh cm⁻²的面积容量，100次循环后容量保持率为74%。组装的软包电池初始放电容量为0.47 Ah，能量密度达379.3 Wh kg⁻¹。因此，该工作为高性能Li-S电池的开发提供了新思路。
图2. 机制探究
High-Spin Cobalt Enables Strong Metal-Sulfur Orbital Hybridization for Accelerated Polysulfide Conversion in Lithium-Sulfur Batteries， Advanced Materials 2025 DOI: 10.1002/adma.202502075
王新 理学博士，研究员，博士生导师，浙江万里学院碳中和研究院执行院长。毕业于北京师范大学凝聚态物理专业，先后在香港城市大学及加拿大滑铁卢大学从事科研工作。广东省杰出青年基金获得者、广东省珠江人才计划引进创新团队核心成员、西江创新团队带头人、珠江科技新星。任广东省先进储能材料与系统工程技术研究中心主任，中国化学会旗舰期刊、中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊《Renewables》编辑部副主任。
陈忠伟 研究员，博士生导师 能源催化转化全国重点实验室主任，中国科学院大连化物所动力电池与系统研究部部长、动力电池与系统研究中心主任。加拿大皇家科学院院士，加拿大工程院院士，加拿大皇家科学院委员会委员，国际电化学能源科学院（IAOEES）副主席。其研究领域主要包括能源电催化的关键材料和机制研究，以及包含锂电、钠电、锌电和固态电池等在内的下一代可持续高安全和高能量密度电池体系开发和机制研究，人工智能电池智能控制与管理。