1图文摘要

锂硫电池性能提升之正极微结构调控策略

2背景介绍

锂硫电池面临多硫化物穿梭导电性差等核心瓶颈

随着化石能源日益枯竭与储能需求持续增长，锂硫电池凭借其高能量密度和硫资源丰富等优势，成为下一代储能体系的热门方向。然而，其应用仍面临多硫化物穿梭、导电性差及体积膨胀等核心瓶颈。本文系统梳理了通过正极微结构调控以提升锂硫电池性能的最新研究进展，旨在为构建高比能、高稳定性的电化学储能系统提供新思路。

3图文解读

本文系统综述了通过正极微结构调控提升锂硫电池性能的研究进展，围绕“导电性增强”与“多硫化锂抑制”两大核心问题，从材料结构设计角度提出解决策略。本文重点梳理了微孔/中孔/大孔碳材料、石墨烯、碳纳米管、MOFs、金属硫化物/氮化物/碳化物等材料在提升硫正极电导率、缓释穿梭效应、稳定循环中的不同作用机制；并进一步探讨了多种异质复合与功能化设计如何协同提升电化学性能。文章最后指出，高比容量与长循环寿命的协同实现有赖于微结构的精准调控与材料间的界面协同，为下一代高性能储能系统的开发提供理论指导与材料依据。

图1：Li-S电池的穿梭效应及其锚定效应和催化效应机理。

本文系统梳理了多级孔碳材料在硫正极构建中的作用机制。微孔碳具有高比表面积和出色的限域能力，能够有效抑制多硫化物的扩散，但受限于孔体积小，硫承载能力有限；中孔碳则兼顾离子传输与硫载量，有助于提升反应动力学和电极结构稳定性；大孔碳材料则提供更丰富的空间用于电解液浸润和硫膨胀缓冲，有利于构建高负载正极。

图2：多级孔碳材料在硫正极构建中的应用。

在此基础上，引入石墨烯和碳纳米管等导电碳纳米结构，为正极构建提供了优异的电子通道与力学支撑。石墨烯因其二维层状结构和极高电导率，有助于提升硫/碳复合材料的整体导电性，并在复合结构中承担“载体+缓冲+限域”多重角色；而碳纳米管则具备一维通道结构和良好柔韧性，能够形成三维多孔网络，有效促进锂离子扩散并缓解硫的体积变化。通过将不同孔径的碳材料与石墨烯/CNTs协同构筑多尺度结构，有望在提升硫利用率、抑制穿梭效应与增强循环稳定性之间实现兼顾优化。

图3：基于石墨烯的复合材料在硫正极构建中的应用。

为克服碳材料化学吸附能力弱、穿梭效应抑制有限等问题，本文进一步探讨了碳材料与金属化合物协同构筑的正极调控策略。通过引入具有极性官能团的金属化合物（如金属氧化物、硫化物、氮化物、碳化物等），不仅可以与多硫化物发生强化学锚定作用，有效抑制其在电解液中的扩散，还能在电化学过程中起到催化转化作用，加速多硫化物向Li₂S的转化，从而提升倍率性能与循环效率。此外，金属化合物的引入还能增强复合材料的机械强度和结构稳定性，缓解因硫体积变化引起的电极粉化问题。特别是在碳基导电骨架中构建“导电通道+催化位点+化学限域”一体化复合结构，可显著提升硫正极的综合电化学性能，为构建高比能、长寿命的锂硫电池体系提供了多功能协同解决方案。

图4：基于金属硫化物的复合材料在硫正极构建中的应用。

图5：基于金属氮化物的复合材料在硫正极构建中的应用。

为进一步提升硫正极的综合性能，近年来研究聚焦于功能化掺杂、复合结构设计及杂化硫载体等策略。首先，通过在碳材料或金属化合物中引入N、S、P 等异质原子掺杂，不仅可增强对多硫化锂的化学吸附能力，还能调控电子结构、催化LiPSs转化反应，从而显著提高循环稳定性与倍率性能。其次，构建多功能复合正极结构（如碳-金属化合物、导电聚合物-极性材料等），实现电子/离子传输、体积缓冲与结构稳定性的一体化协同。最后，采用杂化复合策略整合多种功能组件（如MOF@CNT、TiN@graphene等），在提升导电性与硫承载能力的同时，实现高能量密度与长循环寿命的平衡。该系列研究表明：通过模块化设计与微结构调控的融合，构建具备导电骨架、极性吸附位点和缓释结构的“全功能正极”，已成为提升锂硫电池性能的关键路径之一。

图6：基于功能化掺杂的复合材料在硫正极构建中的应用。

4 总结展望

本文系统梳理了基于微结构调控的硫正极设计策略，涵盖多级孔碳材料、金属化合物及其杂化结构在提升导电性、缓释穿梭效应与增强结构稳定性方面的作用机制。研究表明，实现导电通道、极性吸附与反应催化的一体化集成，是构建高性能锂硫电池的关键方向。未来，进一步发展低成本、可规模化的功能载体材料，并深化界面化学与结构调控的耦合机制，有望加速锂硫电池在实际应用中的落地进程。

5原文信息

相关成果以“Advances in Cathode’s Microstructure Modification to Boost Performance of Lithium-Sulfur Batteries”为题发表在Green Energy & Environment期刊，第一作者为Modeste Venin Mendieev Nitou，武毓，通讯作者为中国电子科技大学陈远富、吕维强团队。

扫码获取全文

https://doi.org/10.1016/j.gee.2025.06.006

撰稿：原文作者

编辑：GEE编辑部

END