摘要：全固态锂硫（Li-S）电池（ASSBs）为下一代安全、耐用和高能量密度的电池技术带来了巨大的前景。然而，固态硫转化反应动力学缓慢，并且主要受限于硫、碳和固态电解质的界面三相接触的影响，这使得实现硫的高利用率具有挑战性。

全固态锂硫（Li-S）电池（ASSBs）为下一代安全、耐用和高能量密度的电池技术带来了巨大的前景。然而，固态硫转化反应动力学缓慢，并且主要受限于硫、碳和固态电解质的界面三相接触的影响，这使得实现硫的高利用率具有挑战性。

2025年1月6日，美国宾夕法尼亚州立大学王东海教授在国际顶级期刊Nature Materials发表题为《Overcoming the conversion reaction limitation at three-phase interfaces using mixed conductors towards energy-dense solid-state Li–S batteries》的研究论文，Daiwei Wang为论文第一作者，王东海教授为论文通讯作者。

王东海，宾夕法尼亚州立大学教授。1997年和2000年在清华大学获得学士和硕士学位，2006年在杜兰大学获得博士学位。2006-2009年先后在太平洋西北国家实验室担任博士后研究员和科学家。2009年加入宾夕法尼亚州立大学，2014年获得终身副教授。

王东海教授课题组主要研究纳米结构材料的广泛电化学、机械和催化性能。他已在Nature Sustain.、Nature Energy、Nature Commun、Angew Chem Int Ed、J Am Chem Soc、Adv Mater、Adv Funct Mater、Nano Letters、Chem Mater等知名期刊发表学术论文。

在这里，作者在硫正极中开发并实现了混合离子-电子导体（MIECs），以取代传统的固态电解质，并在传统的三相界面之外在硫-MIEC界面处引发转化反应。

显微镜和断层扫描分析揭示了硫-MIEC边界处嵌入硫的混合导电域的出现，有助于促进活性硫彻底转化为Li2S。

因此，Li-S ASSBs的活性硫比率（高达87.3%）和转化率（>94%）显著提高，且具有高放电容量（>1,450 mAh g–1）和长循环寿命（>1,000次循环）。

该策略还适用于提高其他转化正极的活性材料利用率。

图1：使用混合离子电子导体（MIEC）的硫正极示意图

图2：低硫利用率的本质原因

图3：材料表征

图4：60°C条件下全固态Li-S电池的电化学性能

图5：S-C-MIEC20正极的表征

综上，研究团队开发了一种混合离子-电子导体（MIECs），用于替代传统的固态电解质，以克服全固态锂硫（Li-S）电池中硫转换反应在三相界面的限制，提高硫的利用率和电池性能。这不仅为固态电池中电极界面的研究提供了新的视角，还提供了一种有效的策略来克服转换型正极在ASSBs中的界面转换反应限制，为开发高能量密度、低成本、长寿命的ASSBs铺平了道路。

未来这项研究有望应用于电动汽车、大规模储能和便携电子设备等领域。

Wang, D., Gwalani, B., Wierzbicki, D.et al. Overcoming the conversion reaction limitation at three-phase interfaces using mixed conductors towards energy-dense solid-state Li–S batteries. Nat. Mater. (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-024-02057-x

来源：华算科技