锂-硫（Li-S）电池以其高达1675 mAh g⁻¹的理论比容量和2600 Wh kg⁻¹的比能量，在能源存储领域展现了巨大潜力。其工作原理涉及16个电子的转移和复杂的固-液-固多相反应过程，包括S₈（固）↔Li₂S₈（液）↔Li₂S₆（液）↔Li₂S₄（液）↔Li₂S₂/Li₂S（固）等多步电化学反应。然而，热力学分析表明，Li₂S₆↔Li₂S几乎每一步反应都存在明显的能量障碍，尤其是固相Li₂S产物的成核与分解。此外，由于固相S₈和Li₂S₂/Li₂S的较差电子和离子导电性，导致了硫还原/氧化反应（SRR/SOR）动力学的缓慢，影响固液双向转化效率，诱发穿梭效应和“死硫”积累，显著降低了硫的利用率和循环稳定性。

此外，锂金属负极表面形成的固体电解质相（SEI）具有较差的机械性能和不稳定性，使得在动态镀锂和剥离过程中，SEI不断发生裂纹与积累，促使锂枝晶的生长。同时，由于电流和离子分布的不均匀，锂沉积常沿优先方向生长，进一步促进了锂枝晶的形成。此外，穿梭效应导致可溶性多硫化锂（LiPSs）与锂阳极之间的不可逆腐蚀性副反应，破坏SEI并导致电解液和锂的持续消耗。因此，急需一种新的策略能够同时调节阴极的SRR/SOR动力学与阳极的均匀锂沉积。

图1. 高硫负载锂硫电池的电化学性能。(a) TiNOCF MR 用于锂硫全电池的示意图。6 mg cm⁻² 硫负载(b) 、8 mg cm⁻² 硫负载(c) 、 10 mg cm⁻² 硫负载(d)的锂硫全电池循环性能。(e) 硫负载为 9.5 mg cm⁻² 的软包电池循环性能。

近期，清华大学张跃钢课题组与内蒙古民族大学刘景海课题组合作，通过同轴电纺丝和高温煅烧技术，成功开发了一种柔性高导电的中空碳纳米纤维（TiNOCF）膜，作为锂硫电池的膜反应器（MR）。该膜反应器能够通过协同调制阴极固相S₈/Li₂S的转换和阳极锂枝晶的沉积生长，实现高电流密度下（5C）硫的利用率、倍率性能和循环稳定性的显著提升。电化学分析、原位XRD、深度XPS、DFT计算以及原位光学显微镜观察表明，TiNOCF MR具有丰富的Ti和N活性位点，其优异的化学限域催化作用促进了SRR/SOR动力学、Li₂S沉积/溶解的可逆性、电子转移及Li⁺扩散动力学。此外，TiNOCF MR通过引导锂沉积的亲锂位点，有效缓解了锂枝晶沿膜界面的优先定向生长。与此同时，还开发了高硫负载的全电池和软包电池，展示了TiNOCF MR在锂硫电池中的潜在应用，特别是在高容量、高倍率和稳循环性能方面，具有显著优势。

该研究成果以“Flexible Titanium Nitride-based Membrane Reactor for S₈/Li₂S and Dendrite Regulation in Lithium-Sulfur Batteries”为题，作为封面文章于2025年1月27日发表在国际期刊Advanced Energy Materials上。清华大学物理系张跃钢教授和内蒙古民族大学刘景海教授、庄全副教授为该论文通讯作者；清华大学物理系吉磊博士后和内蒙古民族大学杨道通、薛嘉仪为该论文的共同第一作者。该工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目的支持。

文章链接：https://doi.org/10.1002/aenm.202404738