一、研究背景

锂硫电池因超高理论容量（1675 mAh/g）和能量密度（2600 Wh/kg），被视为下一代储能体系的有力竞争者。然而，多硫化锂的“穿梭效应”和迟缓的氧化还原动力学，导致活性物质流失、容量快速衰减，严重制约了其实用化进程。近年来，硫化锂作为预锂化正极材料，能够匹配无锂负极，简化电池组装工艺并提升安全性，但其电子导电性极差（<10^-13 S/cm），首次充电活化能垒高，实际容量利用率低，亟需开发高效宿主材料来打破瓶颈。

二、工作简介

陕西师范大学材料科学与工程学院储能材料与器件团队在《新型炭材料(中英文)》（New Carbon Materials）发表最新研究成果，提出了一种碳海绵负载MoS₂-Mo₂C异质结构（MoS₂-Mo₂C@CS）作为Li₂S宿主的设计策略。研究通过简易水热法在碳海绵骨架上原位生长MoS₂纳米片，再利用碳热还原反应可控引入Mo₂C，成功构筑了具有共格界面的MoS₂-Mo₂C异质结构（图1a）。该设计巧妙地结合了MoS₂对多硫化物的强化学吸附能力与Mo₂C的高导电性及催化活性，协同加速了多硫化物的液-固转化过程，显著抑制了穿梭效应。实验结果与DFT计算共同揭示，异质界面的形成将关键的Li₂S₄→Li₂S₂反应步骤由吸热转变为放热，大幅降低了反应能垒。基于此异质结构宿主制备的Li₂S复合正极展现出优异的电化学性能：0.2 C下初始放电容量达693 mAh/g，2 C高倍率下循环500圈，每圈容量衰减率仅为0.107%，为高能量密度锂硫电池的实用化提供了新思路。该论文发表在国产期刊New Carbon Materials上，孙颉副教授、江瑞斌教授和雷志斌教授为论文的共同通讯作者。

三、核心图文解析

1. 物相调控与形貌演化

通过精确控制碳热还原温度及还原剂比例，可实现产物相组成从纯MoS₂到MoS₂-Mo₂C混合相再到纯Mo₂C的连续调控（图1b-c）。SEM图像显示，碳海绵具有50～100 μm的互联大孔结构，水热生长的MoS₂呈纳米花状均匀包覆于碳骨架表面；经925 °C碳热还原后，MoS₂-Mo₂C异质结构颗粒尺寸略有增加，但仍保持良好的分散性，为多硫化物的吸附与转化提供了丰富的活性界面（图1d-g）。

图1 MoS₂-Mo₂C@CS锂硫电池正极宿主的制备流程及结构表征：(a) MoS₂-Mo₂C@CS复合正极宿主的制备流程示意图；(b-c)XRD结果显示了不同葡萄糖加入量和煅烧温度对产物相组成的影响规律；(d-g) SEM照片显示了不同相组成材料的微观形貌特征。

2. 原子尺度界面结构解析

高分辨TEM表征揭示了MoS₂与Mo₂C之间形成了原子级平直且共格的异质界面（图2a-e）。通过极图分析，确定了二者精确的晶体学取向关系：（图2f-g），晶格失配度仅为0.043，属于完全共格界面。这种紧密的界面结合有利于电子在两相间的快速传输，为协同催化奠定了结构基础。

图2 MoS₂-Mo₂C@CS锂硫电池正极宿主的TEM微观界面表征结果：(a) TEM明场像照片表明MoS₂和Mo₂C具有不同的形貌图特征；(b-e) 高分辨TEM照片和相应的快速傅里叶变换/反变换图指出了二者界面的微观结构和共格界面特征；(f-g) 极射赤面投影图和界面结构模型给出了两相具体的位向关系。

3. 多硫化物吸附与催化转化性能

可视化吸附实验表明，MoS₂-Mo₂C@CS复合材料在30 min内即可使Li₂S₆溶液显著褪色，吸附能力远优于单一组分（图3a）。XPS分析证实，吸附后Mo-S键增强，Mo-C键减弱，表明MoS₂是主要的化学吸附位点，而Mo₂C的存在优化了界面电子结构（图3b-e）。对称电池CV测试中，MoS₂-Mo₂C@CS电极呈现出六对清晰的氧化还原峰，且峰电流密度最高，表明其对多硫化物“液-液”及“液-固”转化均具有优异的催化活性（图4）。Li₂S沉积实验进一步显示，MoS₂-Mo₂C@CS宿主上的Li₂S成核容量最高（140.59 mAh/g）、成核时间最短（684 s），且遵循三维瞬时成核（3DI） 模型，沉积层均匀致密，展现出理想的Li₂S沉积动力学（图5）。

图3 MoS₂-Mo₂C@CS锂硫电池正极宿主的可视化吸附实验及XPS表征结果：(a) 可视化吸附实验结果表明MoS₂-Mo₂C@CS具有最强的多硫化锂吸附能力；(b-d) MoS₂-Mo₂C@CS吸附多硫化锂前后Mo 3d和S 2p的芯能级XPS图谱证实了二者间显著的化学相互作用。

图4 以不同宿主材料组装对称电池的CV曲线：(a)以MoS₂-Mo₂C@CS组装对称电池的CV曲线显示出最大的峰包围面积和峰电流密度；(b-c) 以MoS₂-Mo₂C@CS组装对称电池的CV曲线同时呈现出良好的多硫化锂催化转化稳定性。

图5不同宿主材料的Li₂S成核行为表征结果：(a-c) 以不同宿主材料组装电池的恒电位电流-时间曲线表明MoS₂-Mo₂C@CS具有最高的Li₂S成核容量；(d-f) 相应的拟合I/I_m- t/t_m曲线证明Li₂S在MoS₂-Mo₂C@CS呈现出典型的3DI生长模式；(g-i) Li₂S成核后的SEM照片进一步证实了MoS₂-Mo₂C@CS具有最高的Li₂S生长量。

4. DFT计算揭示协同催化机制

密度泛函理论计算表明，MoS₂-Mo₂C异质界面对Li₂S₂的吸附能显著增强，且电荷密度差分析显示界面处电荷重排更为剧烈（图6a-e）。更为关键的是，在纯MoS₂或Mo₂C表面，Li₂S₄→Li₂S₂均为吸热步骤，而在MoS₂-Mo₂C异质结构表面，该步骤转变为放热反应，从根本上改变了反应的热力学路径，极大地促进了多硫化物的还原转化（图6f）。

图6 不同宿主材料表面吸附/催化机制的DFT理论计算结果：(a-e) Li₂S₄和Li₂S₂在MoS₂-Mo₂C异质结构表面的优化吸附构型和差分电荷密度图表明其对两种硫物种较强的吸附能力；(f) 3种不同宿主材料表面Li₂S₄→Li₂S₂反应的自由能变化证实了在MoS₂-Mo₂C表面该反应为放热反应。

5. 电化学性能

组装电池的电化学性能评估结果进一步印证了MoS₂-Mo₂C@CS结构设计的优势。Li₂S/MoS₂-Mo₂C@CS复合正极在0.1 C下放电容量高达931.2 mAh/g，且放电平台平坦、极化小（图7c-d）。倍率性能测试中，即使在2C高电流密度下，仍可保持344 mAh/g的比容量，当电流恢复至0.1 C时，容量可逆恢复至759 mAh/g，显示出优异的倍率耐受性和结构稳定性（图7e）。长循环测试中，该正极在2 C下循环500圈后容量保持率优异，每圈衰减率低至0.107%，显著优于单纯的MoS₂或Mo₂C宿主材料（图7i）。

图7 不同复合正极的电化学性能评估结果：(a) CV曲线；(b) 电化学阻抗谱；(c-d) 0.2 C下的循环性能和相应的充放电曲线；(e-f) 倍率性能和相应的充放电曲线；(g-h) 高Li₂S负载量下的循环性能和相应的充放电曲线；(i) 2 C下不同复合正极的长循环性能。

四、结论

本工作成功构筑了碳海绵负载的MoS₂-Mo₂C共格异质结构，并将其用作Li₂S宿主材料。该异质结构通过整合MoS₂的强化学吸附能力和Mo₂C的高导电性及催化活性，实现了对多硫化物的高效锚定与快速转化。DFT计算首次阐明异质界面可逆转关键反应步骤的热力学特性，为揭示上述材料的催化转化机制提供了理论支撑。所制备的Li₂S/MoS₂-Mo₂C@CS复合正极在循环稳定性、倍率性能和高负载应用方面均表现出显著优势。该研究提出的异质界面协同催化策略，为设计下一代高能量密度、长寿命锂硫电池用先进宿主材料开辟了新的途径。

New Carbon Materials 文章信息

Yuanxiao Ji, Weiye Zhang, Jiarui Xue, Jiyuan Zhang, Yunping Ge, Nan Zhu, Ruibin Jiang*, Zhibin Lei*, Zonghuai Liu and Jie Sun*. A carbon sponge supporting a MoS₂-Mo₂C heterostructure as the Li₂S host for high-performance lithium sulfur batteries. New Carbon Materials, 2026, 41 (1): 109-126.

纪元肖，张维叶，薛嘉瑞，张济原，葛芸萍，朱楠，江瑞斌*，雷志斌*，刘宗怀，孙颉*. 碳海绵负载MoS₂-Mo₂C异质结构锂硫电池正极载体的构筑. 新型炭材料（中英文）,2026, 41 (1): 109-126.

DOI:/10.1016/S1872-5805(25)61017-1

原文链接：https://www.sciengine.com/NCM/doi/10.1016/S1872-5805(25)61017-1

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