近日，我校碳中和研究院在国际知名学术期刊《Advanced Materials》上发表题为“High-Spin Cobalt Enables Strong Metal-Sulfur Orbital Hybridization for Accelerated Polysulfide Conversion in Lithium-Sulfur Batteries”的研究论文。《Advanced Materials》是材料科学领域的旗舰期刊，致力于报道功能材料化学与物理方面的前沿研究，2024年影响因子为27.4。文章通讯作者为加拿大两院院士陈忠伟教授与王新研究员，第一作者为我校碳中和研究院青年教师王加义博士。论文以“浙江万里学院”为第一单位，标志着我校在新能源材料领域的科研实力再获国际权威认可。
在智能电子设备与电动汽车蓬勃发展的浪潮中，能源存储技术正面临着日益严苛的能量密度与稳定性要求。然而，现有的商用锂离子电池体系已然逼近其理论容量的极限，这促使我们迫切需要探寻能量密度更高的新型电池体系。碳中和研究院团队深耕“锂硫电池”这一新兴电池技术领域。相较于当下商业化锂离子电池，锂硫电池展现出两大显著优势：一是容量更为可观，二是所用材料更加环保。从理论层面而言，锂硫电池的能量密度可达到传统锂离子电池的6至8倍之多。它采用硫作为电极材料，这种材料不仅储量丰富，成本也相对低廉，且对环境十分友好。锂硫电池应用前景广泛，应用于电动汽车可使同重量电池续航翻倍，缓解“里程焦虑”并可推动重型车辆电动化；应用于航空航天领域，其高能量密度与轻重量可助力无人机实现长时间连续飞行，显著提升载荷敏感设备性能。但不容忽视的是，锂硫电池在实际应用过程中仍面临着诸多挑战，诸如“穿梭效应”较为显著、硫物种转化动力学缓慢等，这些问题导致其实际循环寿命缩短、能量密度降低以及整体性能下滑。
碳中和研究院团队基于此，设计合成了由高自旋钴修饰的欠配位TiO2纳米片（HSCo/TiO2-x）催化剂，用于抑制“穿梭效应”并加速硫反应动力学。研究发现，Co原子在欠配位的TiO2-x纳米片边缘实现高效锚定，形成稳定的高自旋态。这种结构中未配对电子丰富，能有效增强与多硫化锂的轨道杂化和电子交换，从而提升其吸附能力和催化速率。基于HSCo/TiO2-x修饰隔膜的锂硫电池，在高硫载量（10.9 mg/cm2）下展现出优异的电化学性能，面容量高达8.05 mAh/cm2，经100圈循环后仍保持5.96 mAh/cm2。同时构建的软包电池实现了0.47 Ah的初始容量和379.3 Wh/kg的高能量密度。
该研究不仅在材料设计上实现突破，也深化了高自旋态与多硫化物转化机制之间的关系理解，展示了通过自旋态调控实现高性能硫催化剂的新思路，为推动锂硫电池的实际应用提供了理论与技术支持。
【文章链接】
High-Spin Cobalt Enables Strong Metal-Sulfur Orbital Hybridization for Accelerated Polysulfide Conversion in Lithium-Sulfur Batteries.
https://doi.org/10.1002/adma.202502075