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高能量密度是未來電池的重要發展方向。鋰硫電池因具有高理論能量密度而備受關注，然而硫的固-液-固轉化緩慢，特別是充電過程中硫化鋰（Li2S）氧化需要克服巨大的反應勢壘，導致Li2S轉化不完全和電極鈍化，電池能量密度與迴圈效能較商業化要求仍有明顯差距。近年來，引入催化作用已經成為促進正極反應動力學，提高硫利用率的有效策略，但是固相催化劑與固相Li2S間接觸有限、作用力差，嚴重製約了硫的高效可逆轉化，在高硫載量和貧電解液等實用工況條件下上述問題更加嚴重。
針對這一問題，清華大學深圳國際研究生院呂偉副教授與天津大學楊全紅教授團隊合作提出了一種電化學分子印跡策略，在催化劑中“量身定製”Li2S分子印跡缺陷，促進了Li2S固相解離，提升固-固催化反應效率，保證了貧電解液和高硫載量下硫物種的高效可逆利用，為構建能量密度500 Wh/kg以上的高比能鋰硫電池提供瞭解決方案。相關成果發表於《國家科學評論》（National Science Review, NSR）。
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電化學分子印跡策略原理
研究團隊巧妙利用鋰化後的金屬硫化物（MS）脫鋰不完全的特性，發展了適用於鋰硫電池的電化學分子印跡技術。如下圖所示，在MS中透過鋰化/脫鋰化過程預嵌入Li2S，並利用醇洗法去除Li2S，從而在MS中構建Li2S印跡缺陷。結構表徵顯示，由於硫的去除，催化劑中形成了硫的空位。這種特殊的缺陷使催化劑可以選擇性地與Li2S強結合。
基於金屬硫化物的電化學分子印跡原理示意圖
研究團隊還透過對不同MSs的測試，證明了該方法的普適性，且催化劑效能與硫空位含量成線性關係，表明MSs中為Li2S定製的缺陷結構可以顯著促進其轉化。
結構表徵和材料篩選
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作用與機理
透過H2熱還原得到了具有普通硫空位的H2-Ni3S2催化劑，以驗證分子印跡催化劑對Li2S的特異性。首先，藉助石英微晶天平（QCM）證明了MI-Ni3S2對Li2S的靶向吸附作用；Li2S啟用電位實驗也證明了MI-Ni3S2對Li2S氧化過程的高效催化轉化作用。進一步，透過第一性原理計算（DFT）闡明瞭其微觀機制：分子印跡定製的缺陷能夠改變催化劑表面的電荷分佈，啟用催化劑更多的活性S位點與Li2S中的Li原子結合，進一步拉長Li-S鍵，從而降低了充電過程中的能壘，最終加速了Li2S的分解。
MI-Ni3S2對Li2S的作用和催化機制
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催化效能與全電池的構建
研究團隊透過Li2S沉積/溶解實驗和原位XRD測試，證明了MI-Ni3S2對Li2S的轉化有雙向催化轉化作用。此外，結合先前的材料表徵可知，分子印跡缺陷表現為體相空位，從而保證了其在電池迴圈中的穩定性，極大的提升電池的長迴圈壽命。
MI-Ni3S2在充放電過程中的雙向催化作用
電池效能方面，在接近實際工況的貧電解液和高硫負載的條件下，引入MI-Ni3S2的鋰硫電池具有10.95 mAh/cm2的初始面容量，並且穩定迴圈超過100圈。組裝的Ah級鋰硫軟包電池能量密度超過300 Wh/kg也能夠穩定迴圈。此外，在極低的電解液條件下（E/S=1.8 μL/mgS），研究團隊成功藉助該催化劑構建了能量密度502 Wh/kg的電池，效能超過了目前報道的大多數工作。
引入MI-Ni3S2的鋰硫電池效能
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結論
研究者針對鋰硫電池中Li2S轉化限速步驟，發展了電化學分子印跡方法，透過在金屬硫化物催化劑中構造Li2S分子印跡缺陷，誘導催化劑活性位點與Li2S的強結合，實現了對Li2S的特異性吸附和高效催化。該工作為靶向促進Li2S形成和分解的催化劑設計提供了新思路，也為構建高比能鋰硫電池提供瞭解決方案。
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