安徽师范大学濮军/河北大学沈照熙等：二维MBene异质界面电子离域助力锂硫电池长效稳定

Facilitated Polysulfide Redox Conversion by Delocalized Electrons in MBene Heterointerface for Highly Stable Lithium–Sulfur Batteries

Guifen Wu, Yunmiao Fan, Jiatong Li, Zhaoxi Shen*, Yuxiu Xie, Peixun Yang, Jun Pu*

Nano-Micro Letters (2026)18: 252

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02100-3

本文亮点

1. 创新异质结构制备：通过无氟MBene蚀刻工艺与原位碳化技术，首次成功构筑出多功能2D 钨硼@钨碳(WB@WC)异质结构，提升了异质结所构筑界面的键合力与紧密性，同时避免了HF残留毒性和过量LiF导致的电池电阻升高问题。

2. 电子离域协同调控：异质界面处W原子d轨道、B原子空p轨道与C原子p轨道有效重叠，形成跨相电子传输通道，增强局部电子离域效应，同时构建内置电场，从吸附、迁移、催化三方面优化多硫化锂转化机制，显著降低反应能垒。

3. 电化学性能全面突破：电池在高倍率下工况仍稳定输出能量，充放电可逆性高；经历长循环后，容量衰减缓慢，库仑效率接近100%，容量剩余率高，电极结构保持完好；高硫载量下实现高面容量输出，循环后容量保持率出色，满足高能量密度实用化需求。

研究背景

锂硫(Li-S)电池因其2600 Wh kg⁻1的超高理论能量密度、低原料成本且环境友好的特性，成为下一代高能量存储体系的核心竞争者之一。然而其商业化进程却受两大核心问题掣肘：1.可溶性多硫化锂(LiPSs)在电解液中穿梭导致活性物质流失、库仑效率下降；2.硫及放电产物的绝缘性阻碍电荷转移，导致动力学问题显著。如何高效抑制穿梭效应并加速多硫化锂氧化还原转化，是锂硫电池迈向实用化的关键难题。

内容简介

针对锂硫(Li-S)电池面临的多硫化锂(LiPSs)穿梭效应与氧化还原动力学迟缓两大核心瓶颈，安徽师范大学濮军联合河北大学沈照熙团队提出原位构筑二维MBene异质结构的创新策略。研究以WAlB为起始原料，通过无氟蚀刻工艺去除Al层获得WB纳米片，再经原位碳化技术在其表面可控生长WC纳米晶，成功制备出WB@WC异质结构，并将其用作电池隔膜改性涂层。该异质结构凭借界面电子离域效应，实现多硫化锂“吸附-迁移-催化”全流程协同优化：WB与WC形成的内置电场及轨道重叠效应，显著降低反应能垒；B原子空p轨道与S原子形成强配位键，结合二维结构的物理限域，高效抑制多硫化锂穿梭；同时，异质界面丰富的缺陷位点提升催化活性，加速Li₂S的沉积与解离。通过原位拉曼、XAFS等表征技术，证实了WB@WC对多硫化锂穿梭的抑制作用及W元素价态的动态可逆变化。电化学测试表明，该改性策略使电池在低倍率下展现高初始容量，高倍率与长期循环中保持优异稳定性，高硫载量条件下仍能实现高面容量输出，为高性能锂硫电池的实用化提供了关键技术支撑，也为MBene材料的结构调控与功能优化开辟了新路径。

图文导读

I WB@WC纳米片制备及作用机制

如图1所示，WB@WC异质结构改性锂硫电池隔膜的设计逻辑、制备流程与核心作用机制，为理解该材料如何破解锂硫电池性能瓶颈提供了直观支撑。制备上，以块体WAlB为前驱体，先通过无氟蚀刻工艺去除Al层，成功获得二维WB纳米片；再以葡萄糖为碳源，经原位碳化技术在WB表面可控生长WC纳米晶，最终构筑出紧密键合的WB@WC异质结构。作用机制上，该异质结构通过多重协同效应优化电池性能：二维超薄形态形成物理屏障，配合B原子空p轨道与多硫化锂S原子的强配位作用，实现多硫化锂的物理限域与化学锚定，双重抑制穿梭效应；同时，WB与WC的功函数差异形成内置电场，叠加缺电子B原子引发的界面电子离域效应，显著降低多硫化锂氧化还原反应能垒，加速电荷转移与催化转化动力学。图中理论计算与机制示意图相互印证，清晰展现了从材料制备到性能提升的完整链路，为该异质结构在锂硫电池中的应用提供了全面的原理支撑。

图1. a 无氟原位制备WB@WC异质结构纳米片的流程图。b 物理阻塞与化学吸附。c 异质界面的内建电场效应。d 电子离域效应。e 二维WB@WC在Li-S体系中的能量垒机制。

图2通过多维度表征系统验证了WB@WC异质结构的成功构筑及催化机制：XRD与高分辨TEM清晰呈现WB与WC晶面共存及二维片状形貌，晶格间距分别为0.211 nm(WB)和0.243 nm(WC)；元素mapping显示W、C、B均匀分布，证实异质结构均匀性。W L₃边EXAFS与XPS表征表明，异质界面改变了W的配位环境，与多硫化锂作用后形成W-S配位键，W价态发生可逆变化。DFT计算量化了材料对多硫化锂的强吸附能力，证实WB@WC异质结构兼具稳定结构与高效催化活性，为锂硫电池性能提升提供核心支撑。

图2. a WB@WC的XRD图谱。b-d WB@WC纳米片的TEM、HRTEM、晶格间距及对应的快速傅里叶变换(FFT)。e HAADF-STEM与面元素分布图。f WB、WB@WC、WC及W箔的WL边扩展XAFS谱。g 不同硫物种在多种基质上的结合能计算结果。h Li₂S₆处理前后W4f的高分辨XPS谱。i 经LiPSs吸附后的WB@WC样品XAFS，以及其他相关样品。j-m 不同钨基样品的WT-XAFS。

II 动力学性能

图3系统展示了WB@WC异质结构对锂硫电池电化学反应动力学的显著优化，CV与塔菲尔斜率测试表明，WB@WC改性电池的氧化还原峰电流响应更灵敏，电荷转移阻抗更低，反应动力学远超纯WC与空白PP隔膜。Li₂S成核与活化实验显示，WB@WC能显著降低Li₂S的成核过电位与活化能垒，提升硫利用率，其成核过电位(ΔR=0.43)远低于WC与PP。DFT计算证实，WB@WC大幅降低了多硫化锂转化的自由能垒，尤其是Li₂S₂*→Li₂S*步骤，从根本上加速了氧化还原反应进程。整体而言，WB@WC异质结构通过高效催化作用，实现了锂硫电池反应动力学的全面提升。

图3. a 不同扫描速率下所得WB@WC基阴极的循环伏安曲线。b 不同循环伏安曲线中峰值电流的线性拟合比较。c、d 0.1 mV s⁻1下WB@WC、WC及纯PP基阴极的循环伏安曲线与对应的塔菲尔拟合斜率。e-g 0.1 C下三种不同阴极的GITT电压曲线。h WB、WC或WB@WC上硫物种还原过程的吉布斯自由能。i 通过理论计算获得的Li₂S在不同基底上的分解能垒。

III 电化学性能

图4凸显出WB@WC异质结构在锂硫电池中的卓越性能与实用化潜力：WB@WC改性电池在0.2-4C各倍率下均展现出更高的比容量与更稳定的库仑效率，极化电压(ΔE)显著低于WC和PP隔膜，倍率切换后容量恢复能力优异。长循环测试表明，在0.5C下循环200圈后容量保持率优异，库仑效率接近100%；在7.92 mg cm⁻2的高硫载量下仍能实现7.9 mAh cm⁻2的初始面容量，且在2C下可稳定循环500圈，有效克服了高载量下的性能衰减问题。性能对比图证实，WB@WC在循环寿命、容量保持率及高载量面容量等关键指标上，均优于已报道的多数锂硫电池催化材料，展现出极强的实用化潜力，为高能量密度锂硫电池的商业化提供了可靠支撑。

图4. a WB@WC、WC及PP隔膜组装的电池在0.2 C下的恒电流充放电曲线对比。b WB@WC改性隔膜组装的电池在不同倍率下的充放电曲线。c-d不同隔膜组装的电池的倍率性能及在0.5C电流下的循环性能。e 高硫负载条件下的循环性能。f WB@WC改性隔膜组装的电池在2C电流下的循环性能。W基材料在Li-S电池中电化学性能的比较： g 循环次数与容量保持。h 高负载与面积容量。

IV 原位表征

图5通过原位拉曼与原位X射线吸收谱学技术，动态解析了WB@WC异质结构在锂硫电池充放电过程中的催化机制与多硫化锂调控能力。原位拉曼光谱显示，PP隔膜组检测到显著的多硫化锂特征峰，而WB@WC组特征峰极弱，证实其对多硫化锂穿梭的强效抑制；原位XAFS测试，清晰捕捉到充放电不同电压下W元素的价态与配位环境动态可逆变化，放电过程中W价态升高参与多硫化锂还原，充电时价态降低驱动硫化锂氧化，且配位结构无不可逆畸变。该系列表征证实了WB@WC异质结构的高效催化活性与结构稳定性，为其性能优势提供了关键的原位实验证据。

图5. a、b 基于纯PP隔膜和WB@WC改性隔膜的Li-S电池在放电过程中的原位拉曼光谱。c、d对应的平面时间分辨拉曼光谱。e 原位XANES测试示意图。f、i 原位XANES曲线。g、j 基于WB@WC的电池在不同电压下的原位XAFS谱。h 原位充放电过程。

V 总结

本文以二维WB基MBene为核心基底，通过原位生长工艺在其表面构筑碳化钨(WC)纳米晶，最终成功制备出WB@WC异质结构材料。该材料被应用于锂硫电池隔膜改性领域，可对LiPSs实现锚定、迁移与催化转化的全流程高效调控。WC组分中的C原子具备适中电负性，能够精准调控W原子d轨道电子的离域行为，进而强化界面静电作用并提升LiPSs吸附性能。WB与WC形成的异质界面存在轨道重叠现象，由此搭建起高效电子传输通道，既增强了电子离域效应，又构建出内置电场，实现了LiPSs反应能垒的多维度降低。材料本身的二维超薄形貌优势明显，可大幅缩短电荷迁移的路径，同时丰富催化反应的活性位点数量。一系列电化学测试结果验证了材料的优异性能，WB@WC改性电池在0.2 C倍率下可逆容量达1277 mAh g⁻1，4 C高倍率下仍保持538 mAh g⁻1的水平。在7.92 mg的高硫载量条件下，电池初始面容量依旧能达到7.9 mAh cm⁻2。原位拉曼表征技术为材料的作用机制提供了直接证据，清晰证实其对LiPSs穿梭效应的强效抑制，电池在500次循环中每圈容量衰减率仅为0.024%。该研究的价值不仅局限于锂硫电池领域，更为MBene衍生物的结构调控与功能优化开辟了全新方向，也为硼化物异质催化剂的设计提供了可借鉴的通用范式。这一改性策略未来可延伸至多组分MBene异质体系的研发，在储能、催化等多个领域拥有十分广阔的应用前景。

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

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