文章链接：https://doi.org/10.1016/j.gce.2026.06.003

文章导读

随着传统锂离子电池逐渐接近其理论能量密度极限，开发兼具高容量与环境可持续性的下一代储能架构已成为当务之急。锂硫（Li–S）电池凭借其超高的理论能量密度，被视为下一代储能技术的“种子选手”。然而，锂硫电池的商业化进程仍面临巨大技术瓶颈：在满足实用化要求的高硫负载量（> 10 mg/cm²）下，如何有效抑制多硫化物的“穿梭效应”并保持高效的离子传输，是亟待解决的核心难题。传统的铝箔集流体在高负载下极易发生严重的性能衰退甚至失效，因此，构筑一种兼具高面积容量和长期循环稳定性的载硫集流体至关重要。另一方面，全球每年产生数千万吨废旧纺织品，由于回收率极低且合成纤维难以降解，正引发严重的生态危机。将废旧纺织品升级回收为高附加值的能源材料，为解决环境与能源双重挑战提供了一条绿色协同路径。

近期，福州大学化学学院郑远辉教授与赵斌副教授课题组在 Green Chemical Engineering (GreenChE) 上发表了题为“Ion-confinement in textile-derived carbon cloth for high-areal-capacity Li–S batteries” 的文章。该研究开发了一种简便、可扩展且可持续的一步碳化策略，成功将废旧牛仔布纺织品升级回收为具有可调石墨化程度的高性能碳布（HPC）。研究人员巧妙利用材料微纳结构产生的“离子限域效应”（Ion-confinement effect），在高硫负载及贫电解液条件下实现了多硫化物的有效拦截与快速的锂离子传输。

研究亮点

● 开发了一种简便的一步碳化策略，成功将废弃牛仔布升级回收为具有三维（3D）导电网络的高性能碳布。

● 在10.34 mg/cm²的高硫负载下，实现了6.89 mAh/cm²的优异面积容量。

● 证实了独特的“离子限域效应”，在有效抑制多硫化物穿梭的同时，确保了锂离子的快速传输。

内容概述

1. 废旧纺织品一键升级：高性能碳布（HPC）的制备与表征

研究人员通过简单的一步高温碳化工艺，对清洗干燥后的牛仔布前驱体进行热处理，分别在750 ℃、950 ℃和1150 ℃下制备了系列碳布材料（HPC750、HPC950和HPC1150）。

• 多级结构特征：X射线衍射（XRD）证实该HPC由高度石墨化的碳组成。形貌表征显示，优化后的HPC950呈现出高度有序、相互交织的三维导电碳纤维网络。这种特殊的编织结构不仅能提供优异的电子传导通道，且纤维间丰富的宏观孔隙为活性硫的充填及体积膨胀提供了充足的缓冲空间。

• 精细微孔解析：相比于商业碳布（CC，孔径18.27 nm），HPC950展现出独特的微/介孔结构，平均孔径仅为2.39 nm，且比表面积比商业碳布提高了300倍以上。

图1. 三维（3D）导电碳纤维网络及其孔隙局域机制。

2. “离子限域”机制：兼顾限域与动力学

为了厘清该结构在电化学反应中的物理机制，研究人员对比了HPC950/S与商业碳布（CC/S）的结构模型：

• 穿梭效应的物理拦截：可溶性高阶多硫化物中间体的分子直径约为0.36–1.69 nm。HPC950所具备的2.39 nm特殊孔径，恰好能充当强有力的物理屏障，将多硫化物牢牢截留在孔道内部，并结合碳表面的化学吸附，双重抑制穿梭效应。

• 锂离子的传输：与此同时，2.39 nm的孔道尺寸远大于去溶剂化的裸锂离子（0.18–0.54 nm），从而确保了锂离子在电极内部的快速扩散。这种“留锂限硫”的离子限域效应平衡了离子吸附与动力学传输。

图2.（a-c）不同硫负载量下HPC950/S的循环性能。（d）LED在0、25和40分钟时的发光模式。（e）HPC的孔隙限制机制。

3. 优异的电化学性能与实用化展示

得益于高导电性与优异孔隙结构的协同集成，HPC950/S正极在硫负载达到10mg/cm²及贫电解液（E/S比仅为5 μL/mg）的条件下表现出稳定的电化学性能：

• 高面积容量与长循环稳定性：在8.51 mg/cm²的高硫负载下，经过230次高强度循环后，该电极仍能保持4.89 mAh/cm²的稳定面积容量。即便将硫负载进一步提升至10.34 mg/cm²，面积容量可高达6.89 mAh/cm²，远超实用化商业指标（4 mAh/cm²）。

• 全电池实用化验证：为了进一步验证其实用可行性，研究人员组装了高负载的扣式电池，该电池成功点亮了包含33个发光二极管（LED）的阵列，并在持续放电40分钟的过程中亮度无任何衰减，充分彰显了其稳定的能量输出能力。

总结与展望

本工作展示了一种极具成本效益和环境可持续性的循环经济策略。通过一步高碳化工艺将废旧牛仔布升级转化为高性能三维碳集流体，通过特殊的2.39 nm微孔构筑了优异的“离子限域效应”，一举改善了高硫负载锂硫电池中多硫化物穿梭与离子快速传输无法兼顾的难题。尽管该材料展示出了极佳的实用化潜力，但未来的研究仍可在以下几个方面进一步深化：一是进一步探究纺织品中微量杂原子（如印染残留的微量硫、铝等）对多硫化物催化转化及双向氧化还原动力学的本征贡献；二是针对软包电池等更大规模的实际应用，优化大规模连续制备该柔性碳布的工艺，提升其在力学形变下的结构稳定性。这项工作不仅为废旧纺织品的固废处理开辟了高附加值高科技去向，也为构筑下一代高能量密度、低成本的可持续储能系统提供了令人兴奋的新思路。

作者简介

郑远辉，福州大学化学学院研究员，闽江学者特聘教授。主要从事纳米发光材料的设计合成与性能调控，开发高性能、微型化纳米光电器件以支撑显示成像、防伪和信息存储等应用，聚焦微纳结构精准制备并结合表面等离子体光学原理探究光操控机制以应用于超分辨成像、新型光学器件等领域，以及基于电化学理论优化电极材料与电解液，开发高容量、长寿命新型储能电池以解决新能源存储关键问题。多次带领学生参加省级大学生创新创业大赛获奖，2024年获得中国国际大学生创新大赛金奖。迄今已在国际著名学术期刊Nat. Commun.、Angew. Chem.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater. 等发各类表学术论文90余篇，被引8000余次，申请专利10余项。

赵斌，博士，福州大学化学学院副教授。主要从事激光和磁光晶体材料的合成与性能方面的研究。目前在J. Cryst. Growth, Optical Materials Express, Crystal Laser Physics等刊物上发表SCI论文10余篇。主持横向应用项目3项。

文章信息

H. Hu, W. Xu, X. Zhang, J. Chen, Y. Dong, B. Zhao, Y. Zheng, Ion confinement in textile-derived carbon cloth for high-areal-capacity Li–S batteries, Green Chem. Eng., https://doi.org/10.1016/j.gce.2026.06.003 (2026).

撰稿：原文作者

编辑：GreenChE编辑部

【期刊简介】

Green Chemical Engineering（GreenChE）于2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊”，2020年9月正式创刊，最新影响因子11.9，位列Q1区，最新CiteScore为18.5，目前已被ESCI、EI、DOAJ、Scopus和CSCD等多个权威数据库收录。GreenChE以绿色化工为学科基础，聚焦"绿色"，立足"工程" ，注重绿色化学、绿色化工及其交叉领域的前沿问题，紧紧围绕低碳化、清洁化和节能化的发展要求。目前是对读者和作者双向免费的开源期刊。

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