中国科学技术大学Angew.：仿生梯度多孔碳调控多硫化物化学实现可持续高载量锂硫电池

云深

2026-04-14

全文概要

中国科学技术大学陈立锋研究团队受桦树木质部/韧皮部垂直通道与筛板结构的启发，设计并合成了一种具有径向梯度孔径（大孔-介孔-微孔）的氮掺杂碳纳米管（Bio-N-CNT）作为锂硫电池硫宿主。该仿生结构结合氮掺杂活性位点，实现了高效的质量传输、离子扩散、多硫化物限域催化转化及高硫负载能力。实验结合原位拉曼、COMSOL模拟与DFT计算，揭示了梯度孔结构在抑制穿梭效应、降低极化、加速Li₂S成核/分解动力学中的协同机制。所得Bio-N-CNT/S正极在0.1 C下循环100圈容量衰减率仅0.178%，在8.6 mg cm⁻²超高硫负载下仍保持71%容量保持率。此外，作者还开发了“沉淀-富集-还原-再生”银回收工艺（回收率93%），提升了该技术的经济可行性与环境友好性。

1. 仿生结构与合成：以银纳米线为牺牲模板，通过ZIF-8包覆、葡萄糖聚合、碳化及酸蚀，制得具有径向梯度大/介/微孔结构的氮掺杂碳纳米管（Bio-N-CNT）。SANS与氮吸附证实其孔径分布连续、微孔密度高，且氮掺杂均匀（以吡啶氮为主）。

2. 多物理场模拟与吸附/催化：COMSOL显示Bio-N-CNT电势分布最均匀，极化电位仅1.2×10⁻⁵ V，显著优于对照样。DFT计算表明氮掺杂位点增强了对Li₂Sₙ的吸附能并降低硫还原反应能垒。紫外-可见吸收与原位拉曼证实Bio-N-CNT对Li₂S₆吸附最强，且在充放电过程中几乎未检测到可溶性多硫化物特征峰。

3. 电化学动力学增强：GITT与CV显示Bio-N-CNT/S具有更低的电荷转移阻抗和更高的Li⁺扩散系数。Li₂S成核/分解实验表明，其成核容量（293.47 mAh g⁻¹）与分解容量（739.52 mAh g⁻¹）均显著高于对照样，且峰值时间最短，证明其双向催化作用。

4. 高载量与循环稳定性：在0.1 C下，Bio-N-CNT/S初始容量达1424 mAh g⁻¹，100圈后仍保持1170 mAh g⁻¹。在1 C下循环1000圈，容量衰减率仅0.038%。当硫负载为8.6 mg cm⁻²时，面容量高达7.2 mAh cm⁻²，100圈后容量保持率71%（液硫比仅3 µL mg⁻¹）。软包电池可成功点亮LED。

5. 绿色银回收工艺：针对银纳米线模板成本高的问题，开发了“沉淀-富集-还原-再生”四步法回收废液中Ag⁺，总回收率达93%。生命周期评估（LCA）显示，该工艺虽略有能耗与温室气体排放，但显著降低水体生态毒性与环境健康风险，具有工业化前景。

Zihai Cheng, Ping Wu, Wei-Xu Dong, Ze-Peng Liu, Rong-Hao Wang, Tingyu Zhang, Haibo Hu, Wujun Liu, Li-Feng Chen. Biomimetic Gradient-Porous Carbon Enables Sustainable High-Loading Lithium-Sulfur Batteries by Regulating Polysulfide Chemistry. Angew. Chem. Int. Ed. 2026, e2025836599.
DOI: 10.1002/anie.2025836599

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.2025836599