量子点催化剂调控离子-偶极与偶极-偶极相互作用实现宽温域稳定锂硫电池

（编辑推荐）本研究创新性提出通过MoN量子点/氮掺杂碳（MoNQDs/NC）协同调控Li(solvent)x+溶剂化鞘结构（离子-偶极作用）和Li2S2分子键稳定性（偶极-偶极作用）的双重机制，解决了锂硫电池（LSBs）中Li2S2电化学惰性导致的硫损失难题。该催化剂使高载硫电池（9.1 mg cm?2）在0-60°C宽温域下保持>5.0 mAh cm?2的面容量，为实用化LSBs设计提供新范式。

　　

引言

锂硫电池（LSBs）因其1675 mAh g^?1的理论比容量和硫资源丰富性被视为下一代储能技术，但Li₂S₂中间体的电化学惰性导致活性硫不可逆损失。传统研究聚焦于抑制多硫化锂（LiPSs）穿梭效应或降低Li₂S能垒，而忽视了对Li₂S₂分解动力学的调控。本研究首次提出通过量子点催化剂同时优化Li⁺脱溶剂化（离子-偶极作用）和Li₂S₂键断裂（偶极-偶极作用）的协同策略。

结果与讨论

材料设计与表征

通过高温氮化法制备的MoNQDs/NC中，3.6 nm尺寸的MoN量子点均匀分布在氮掺杂碳基底上（HRTEM显示0.25 nm晶格间距对应MoN(200)晶面）。XPS证实Mo³⁺-N键（398.1 eV）和吡咯氮（68%占比）为主要活性位点，其54.53 m² g^?1比表面积和0.248 cm³ g^?1孔容积有利于活性物质锚定。

双机制催化原理

1. 离子-偶极调控：DFT计算显示MoN对Li(DME)_{4⁺和TFSI^?的吸附能（-3.8/-2.3 eV）显著强于NC（-3.5/-1.0 eV），拉曼光谱证实界面CIPs+AGGs占比达93%，促进Li⁺快速脱溶剂。}

2. 偶极-偶极激活：周期性Mo-N排列产生局部偶极场，使Li₂S₂的Li-S/S-S键长从2.25/2.05 ?拉伸至2.50/2.18 ?（COHP计算显示ICOHP值从-0.83/-8.46降至-0.53/-0.07），分解能垒降低35%（2.4 vs 3.7 eV）。

原位验证与性能

• 原位紫外显示MoNQDs/NC电池中Li₂S₄浓度变化速率提升3倍

• TOF-SIMS深度剖析证实循环后Li₂S₂^?残留量减少58%

• 9.1 mg cm^?2高载硫电池在25°C下初始面容量达8.3 mAh cm^?2（50次循环衰减率0.012%/次），0°C/60°C极端温度下仍保持>5.0 mAh cm^?2

• 1.5 g硫载量的软包电池（E/S=4.0 μL mg^?1）实现1.87 Ah放电容量

结论

该工作通过原子级设计的MoNQDs/NC催化剂，首次建立离子-偶极（加速Li⁺迁移）与偶极-偶极（激活Li₂S₂分解）协同调控机制，为宽温域高能量密度LSBs的开发提供新思路。