可重构In-S配位SPAN正极：解锁高硫利用率和快速动力学实现实用化锂硫电池

本文创新性地将可重构铟硫(In-S)配位引入硫化聚丙烯腈(SPAN)正极，通过动态调控硫键合状态显著提升锂硫(Li-S)电池性能。研究证实非晶态In-S网络可逆锚定/释放硫物种，在仅添加1.18 wt.%铟条件下实现47.4 wt.%活性物质含量，在8.7 mg cm-2高载量、E/SPAN=4.1贫电解液条件下获得1048 mAh·g-1的高比容量，为开发兼具高能量密度和长循环寿命的新一代锂硫电池提供了新策略。

　　

可重构In-S配位在SPAN正极中的协同机制

引言

锂硫电池因其1675 mAh·g^-1的理论比容量和硫资源的低成本优势，被视为下一代储能系统的有力竞争者。然而传统SPAN正极存在硫利用率低（<40 wt.%）、固-固转化动力学缓慢等瓶颈问题。本研究通过电纺丝-硫化两步法，将非晶态铟硫复合物嵌入SPAN基质，构建出具有动态键合能力的In_x-SPAN（x=0,2.5,5,10）正极材料。

材料表征与结构解析

透射电镜和X射线衍射证实In₅-SPAN中铟以原子级分散形式存在，未形成结晶相。扩展X射线吸收精细结构(EXAFS)分析显示铟的平均配位数达7，显著高于晶体In₂S₃的配位数6，这种高配位环境使硫含量提升23%。X射线光电子能谱(XPS)中In 3d_5/2结合能(445.03 eV)高于In₂S₃标准样，证实铟处于更高价态。傅里叶变换红外光谱(FTIR)显示S-S键红移至512 cm^-1，表明In-S相互作用延长了硫链。

电化学性能突破

优化后的In₅-SPAN在0.5 A g^-1电流密度下实现1048 mAh·g^-1的比容量，4 A g^-1高倍率下仍保持1035 mAh·g^-1。电化学阻抗谱(EIS)显示电荷转移电阻(R_ct)降至74 Ω，仅为未掺杂SPAN的46%。循环伏安测试表明氧化还原峰电位差缩小至0.58 V，锂离子扩散系数提升4.6倍。在8.7 mg cm^-2高载量、贫电解液(E/SPAN=4.1 μL mg^-1)条件下，仍保持4.8 mAh cm^-2的面容量。

作用机制阐释

原位表征揭示铟价态在In³⁺与In^δ+(0<>₂S分解能垒从1.43 eV降至1.16 eV。波尔兹曼分布分析证实，In-S配位通过增强Li₂S与基底的电子耦合(电荷转移量0.35 |e|)，加速双向转化动力学。紫外可见光谱证实多硫化物溶出被显著抑制，这与恒电位沉积测试中347.2 mAh g^-1的Li₂S成核容量相印证。

实际应用验证

300次循环后In 3d XPS谱未出现明显偏移，证明配位结构稳定性。部分溶解的铟在锂负极形成Li-In合金保护层，使全电池在1 A g^-1下循环300次容量保持率达85.3%。与已报道的Te/Se-SPAN体系相比，该材料在活性物质含量(47.4 wt.%)、倍率性能(76.4%@4 A g^-1)和贫电解液适应性等关键指标上均具有显著优势。

结论展望

这项工作通过非晶态In-S配位网络的动态重构，同步解决了SPAN正极硫含量受限和反应动力学迟缓两大难题。所提出的金属-硫键可逆调控策略，为发展高能量密度、长循环寿命的实用化锂硫电池提供了新范式，其设计原理可拓展至其他涉及动态键合的电化学储能体系。