科學通報 | 黃佳琦教授團隊深度解讀鋰硫電池中多硫化鋰的結構與性質

北京理工大學黃佳琦教授團隊在《科學通報》發表題為“鋰硫電池中多硫化鋰結構與性質研究進展”的評述文章，深入討論了多硫化鋰研究的三大核心問題：其存在形式、溶劑化結構與液固反應機制，以指導高比能、快充放、長循環及全生命周期安全的鋰硫電池的構筑。

面向電動汽車、無人機、航空航天等領域對高比能電池的迫切需求，鋰硫電池因其 2600 Wh kg?1的理論能量密度成為突破傳統鋰離子電池能量密度極限的核心技術之一。多硫化鋰是鋰硫電池的關鍵中間產物，其組成結構對正負極的電化學反應行為和鋰硫電池的整體性能存在顯著影響。面向高比能、大倍率、長循環和高安全的重要需求，亟需重新認識多硫化鋰的結構與性質，以對其進行理性設計與調控。基于鋰硫電池領域的最新研究進展，北京理工大學黃佳琦教授團隊聚焦鋰硫電池中多硫化鋰的結構與性質，從解離締合行為、溶劑化效應與液固反應機制三個角度進行了系統性評述（圖1 ），旨在為高能量密度鋰硫電池的理性設計提供關鍵理論支撐。

圖1 鋰硫電池中多硫化鋰的解離締合行為、溶劑化效應與液固反應機制研究示意圖

一、重新審視多硫化鋰的存在形式：陽離子與聚集體

長期以來，溶解在電解液中的多硫化鋰被認為會像普通鋰鹽一樣完全解離，主要以帶負電的多硫陰離子（Sx2?）形態存在。然而最新研究成果揭示鋰硫電池中多硫化鋰傾向于結合游離的Li+，形成帶正電的陽離子物種（如Li3S6+）。其強正電性導致正極氧化還原反應動力學遲滯，同時加劇其與負極鋰金屬的副反應與穿梭效應，成為制約電池性能的關鍵因素。此外，面向高能量密度應用所需的貧電解液條件以及低溫等極端工況，多硫化鋰更易形成大尺寸的聚集體，顯著降低擴散系數并加劇動力學極化。針對陽離子和聚集體的負面影響，研究者們發展了一系列調控策略，包括調控鋰鹽陰離子與多硫化鋰陽離子的配位作用，或通過共價修飾改造多硫化鋰分子自身結構，或通過平衡移動改變物種分布（圖2 ）。這些策略從分子間相互作用、電荷分布及熱力學平衡三個層面，抑制了陽離子及聚集行為對電池性能的負面影響，為精準調控多硫化鋰存在形式、實現高性能的鋰硫電池提供了理論依據與有效策略。

圖2 針對多硫化鋰存在形式的調控策略.

二、溶劑化結構演變：封裝多硫化鋰的弱溶劑化電解液設計

在鋰硫電池充放電過程中，多硫化鋰溶解于電解液并形成獨特的溶劑化結構。這種結構的改變直接影響其溶解性、輸運性質以及在電極界面的反應路徑，是決定鋰硫電池性能的核心因素之一。鋰硫電池電解液的設計理念經歷了從強溶劑化到中等溶劑化（MSE）再向弱溶劑化的演變，目前能夠實現正負極協同優化的封裝型電解液（EPSE）顯示出應用潛力（圖3）。這種新型電解液通過在經典MSE體系中引入特定的弱溶劑化溶劑，構建了一種雙層溶劑化結構：內層的強溶劑化溶劑保證多硫化鋰必要的溶解以維持正極反應路徑；而外層的弱溶劑化溶劑有效阻隔其與鋰金屬負極的副反應。進一步研究表明，增加EPSE 中弱溶劑的比例能更有效地保護負極，但會惡化其正極反應動力學。引入電催化劑或氧化還原介體可以針對性地降低電荷轉移能壘，突破弱溶劑化電解液體系中正極反應動力學遲滯的瓶頸問題。

圖3 多硫化鋰在不同電解液中的溶劑化結構

三、液固反應機制新解：三元相圖修正液固反應計量比

為了揭示鋰硫電池反應的基本熱力學規律，本評述介紹了基于鋰硫化學體系的三元相圖工作。黃佳琦教授團隊與合作者選擇單質硫、硫化鋰（Li2S）和空白電解液作為三個基本組分頂點，繪制出了鋰硫電池體系的相圖（圖4）。所獲得的相圖清晰地劃分出單相區、兩個兩相區以及高濃度下的凝膠區。利用杠桿規則解讀三元相圖，可以定量追蹤放電過程中系統組成的變化及其對應的電解液中多硫化鋰的濃度和組成。基于相圖的定量分析，研究團隊揭示了鋰硫電池固–液–固相變反應的真實化學計量比；通過對比相圖理論預測的容量值與實際放電容量，揭示了Li2S 沉積不充分是導致鋰硫電池實際容量損失的最關鍵問題。基于上述方法與認知，可以進一步理解不同電解液體系中鋰硫電池反應熱力學的演變規律，例如凝膠區與三相點的出現。

圖4 從三元相圖理解鋰硫電池的反應熱力學

四、結語：鋰硫電池中多硫化鋰的再認識

本評述從多硫化鋰的存在形式、溶劑化結構及液固反應三個角度梳理了最新研究進展：在存在形式方面，最新的研究結果揭示了多硫化鋰以陽離子形式存在，討論了陽離子多硫化鋰的針對性調控方法；在溶劑化結構方面，梳理了不同電解液體系中多硫化鋰的溶劑化結構與反應動力學特征，總結了弱溶劑化電解液的設計原則及其實現高能量密度與長循環壽命的潛力；在液固反應機制研究方面，介紹了基于三元相圖定量解析反應熱力學的方法，修正了傳統觀點對于放電平臺理論容量的分配，揭示了Li2S 沉積不充分是鋰硫電池放電容量低的瓶頸問題。這些研究成果不僅深化了對多硫化鋰本征特性的理解，更為鋰硫電池的理性設計提供了基礎理論支撐。

文章信息

趙夢, 李博權, 黃佳琦*. 鋰硫電池中多硫化鋰結構與性質研究進展. 科學通報, 2026, 71: 146–162

doi: 10.1360/CSB-2025-0596

轉載、投稿請留言

| 關注科學通報 | 了解科學前沿