融媒中心讯/近日，福州大学材料科学与工程学院新能源材料与工程研究院郑琦正副教授与厦门大学孙世刚院士、廖洪钢教授团队，华中科技大学黄云辉教授团队等在锂硫电池界面反应合作研究中取得重要进展，相关成果以“Revealing competitive interfacial reactions in high-energy Li–S batteries”（《揭示高能锂硫电池的竞争性界面反应》）为题发表于国际顶级学术期刊Nature。福州大学材料科学与工程学院郑琦正副教授为该论文的共同第一作者。

锂硫电池具有高理论能量密度、硫资源丰富和成本低等优势，是下一代高比能储能电池的重要体系。然而，从实验室走向实际应用，锂硫电池仍面临“如何提升其在高硫载量和贫电解液等接近实用化条件下的电化学性能”这一关键难题。核心挑战在于，贫电解液会显著提高界面处多硫化锂浓度，使电池反应不再遵循传统的“反应物扩散到电极表面并快速发生电荷转移”简单模型，特别是绝缘性的硫化锂在充放电过程中不断沉积和溶解，形成复杂、动态、非均一的界面层。这一界面层不仅长期制约锂硫电池的能量密度、快充能力和循环稳定性能，同时也难以被直接观测和研究。

直接观测到的界面竞争反应途径

针对上述问题，研究团队运用电化学原位液相透射电子显微镜，通过耦合电解液环境和外加电场，实现了对锂硫电池界面反应纳米尺度动态反应的高分辨实时动态成像。研究发现，放电过程中多硫化锂会持续富集于电极界面，并因局部高浓度诱导相分离，形成类液团结构。这一结构不仅是多硫化锂的局部富集区，更可作为界面反应中的“临时能量仓库”和“电荷传递驿站”，参与硫化锂的成核、生长与再溶解过程。

进一步研究表明，硫化锂沉积存在两条竞争路径：电极材料—电解液界面上的表面介导成核，以及已有硫化锂—电解液边界处的溶液介导生长。前者决定硫化锂“从哪里开始长”，后者决定其“能否继续长厚”，两者的动态平衡共同影响硫转化反应的效率与稳定性。在此之前，多硫化锂聚集通常被视为导致穿梭效应和容量衰减的重要原因。然而，该研究结果发现，在受限的高浓度界面环境中，多硫化锂聚集体可促进集体电荷转移和快速硫转化。理论计算表明，聚集会改变多硫化锂的几何构型、轨道分布和电子态，使分子轨道能级间隙缩小、费米能级附近可参与电荷转移的电子态增多，从而形成更有效的电荷接受与传递通道。基于这一认识，研究提出通过调控多硫化锂浓度、硫含量和电极界面结构，在表面成核与溶液生长之间建立平衡，实现高效硫转化。该策略使高载硫电池在4 mg_S cm^–2下循环400周后容量保持率达82.3%，并在26.8 mA cm^–2下实现约15分钟快充，保持766 mAh g^–1容量。该成果不仅为高比能、快充锂硫电池设计提供了依据，并且为复杂电化学界面研究提供了新的机制框架。

该篇论文是福州大学“十五五”开局之年发表的第3篇CNS主刊论文，是学校深耕源头创新的又一有力见证。“十四五”以来，福州大学教师以第一作者（含共同第一作者）或通讯作者发表CNS主刊论文累计已达13篇。在“十五五”发展新征程中，福州大学将继续夯实原始创新基础，培育壮大战略科技力量，潜心攻克前沿科学难题，力争产出更多具有影响力的重大原创成果。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09473-2