南京大学金钟,最新AEM!线性键合有机硒硫化物杂化化合物正极材料助力高容量/穿梭抑制锂-有机硫族化物电池!马兴凯/李欢一作

锂-有机硫族化物电池具有高能量密度、环境友好和低成本等优点，但面临快速容量衰减和倍率性能差等问题。

2026年06月19日，南京大学金钟团队在Advanced Energy Materials期刊发表题为“Linearly Bonded Organoselenide-Sulfide Hybrid Compound Cathode Materials for High-Capacity and Shuttling-Suppressed Lithium-Organochalcogenide Batteries”的研究论文，团队成员马兴凯、李欢为论文共同第一作者，金钟为论文通讯作者。

第一作者：马兴凯、李欢

通讯作者：金钟

通讯单位：南京大学

论文DOI：10.1002/aenm.71215

该研究提出通过将四甲基秋兰姆二硫化物与熔融二硒化硫（SeS₂）反应，设计并合成了一种有机硒硫化物杂化化合物。该有机硒硫化物杂化化合物具有链状结构、高硫族元素（S和Se）原子比例以及增强的电导率，能够用作锂-有机硫族化物电池的高容量、长循环正极材料。通过硒-硫键协同作用形成的一维线性分子结构，借助化学吸附和电化学转化双重机制，实现了电化学性能的显著提升。此外，一系列电化学测试和机理分析验证了该构型能够有效抑制电池循环过程中的穿梭效应，同时增强材料的结构稳定性。该有机硒硫化物杂化化合物正极展现出较高的比容量（在1.0A g⁻¹电流密度下为816.8 mAh g⁻¹）和改善的容量保持率（每圈衰减0.06%）。这些双重优势为推进锂-有机硫族化物电池技术提供了新见解，并为其实际应用提供了一条有前景的途径。

在储能领域，锂-硫族化物电池因其可观的理论能量密度和经济性而成为科学界和工业界高度关注的研究热点。与传统的锂离子电池相比，锂-硫（Li-S）电池提供了显著更高的理论能量密度。然而，Li-S电池的商业化面临着一系列严峻挑战。其中最突出的问题之一是快速容量衰减和有限的循环寿命，这主要归因于硫基正极材料固有的不稳定性、本征离子电导率低以及穿梭效应。针对这些障碍，研究人员已进行了大量研究，包括采用纳米多孔宿主基质或隔膜涂层将多硫化物限制在正极侧。此外，还考虑在电解质中使用功能性添加剂。虽然这些措施可以部分缓解穿梭效应，但它们并未消除根本原因——多硫化物的生成和溶解。在此背景下，结构可设计的有机硫化物正极材料作为正极材料备受关注。然而，这些结构中长硫链的存在仍然导致电导率低，限制了其倍率性能(公众号：生化环材人)。值得注意的是，硒（Se）作为硫族元素中硫的同族元素，其电子电导率约为1×10⁻⁵ S cm⁻¹，比硫（5×10⁻³⁰ S cm⁻¹）高出约25个数量级——尽管其理论比容量较低（675 mAh g⁻¹vs 硫的1675 mAh g⁻¹）。这一有趣的性质有利于改善电极动力学和正极材料的利用率。硒杂化提供了双重优势，在提高硫化物电导率的同时，还通过化学吸附和电化学转化机制增强其稳定性。然而，设计和构建有机硒硫化物化合物作为可充电锂-硫族化物电池的先进正极材料仍然在很大程度上未被探索。

在此，该研究通过将四甲基秋兰姆二硫化物（TMTD）引入熔融SeS₂中，设计和合成了一种链状有机硒硫化物杂化正极材料，具体为四甲基秋兰姆多硒硫化物（TMTSeS）。硒的引入代表了一个关键性的进展，因为它显著提高了有机硫化物的电导率，同时通过化学吸附和电化学转化机制增强了稳定性。TMTSeS正极材料的有效性在一系列严格的电化学测试和全面的机理分析中得到了明确验证。这些分析证实了TMTSeS正极材料在锂-硫族化物电池中的卓越性能，其特点是在1.0 A g⁻¹电流密度下具有816.8 mAh g⁻¹的优异比容量和增强的循环稳定性（每圈仅0.06%的容量衰减）。这些结果突显了有机硒硫化物杂化正极材料在锂-硫族化物电池中用于高能量密度、低成本和可持续二次电池的巨大潜力。

图1 有机硒硫化物杂化化合物正极材料的合成、表征和氧化还原机理。(a) TMTSeS正极材料合成过程的示意图。(b) TMTSeS正极材料的SEM图像和(c-f)相应的EDX分析。(g) TMTSeS正极充放电过程的机理示意图。

图2 (a) TMTSeS、TMTD和SeS₂的XRD图谱。(b) TMTSeS和TMTD的FTIR光谱。(c, d) TMTSeS和TMTD分别在(c) S 2p和(d) Se 3d能级的XPS光谱。

图3 (a) TMTSeS、TMTS、TMTSe和TMTD正极在0.5 mV s⁻¹扫描速率下的CV曲线。(b) TMTSeS、TMTS、TMTSe和TMTD正极的EIS分析。(c) TMTSeS正极在0.2~1.8 mV s⁻¹不同扫描速率下的CV曲线和(d)相应的峰电流拟合曲线。

图4 (a) TMTSeS正极在0.5 A g⁻¹电流密度下的循环稳定性。(b) TMTSeS正极在不同温度下的循环稳定性。(c) TMTSeS、TMTS和TMTSe正极在0.2~4.0 A g⁻¹不同电流密度下的倍率性能(公众号：生化环材人)。(d) TMTSeS正极在0.2~4.0 A g⁻¹不同电流密度下的恒流放电/充电曲线。(e) 软包Li||TMTSeS电池在0.5 A g⁻¹下测试的循环性能和库仑效率。(f) 由软包Li||TMTSeS电池稳定供电的图案化LED面板。(g) TMTSeS、TMTS和TMTSe正极在1.0 A g⁻¹电流密度下的长期循环性能。

图5 (a, b) TMTSeS正极在不同充放电状态下的(a) S 2p和(b) Se 3d能级XPS光谱。(c) TMTSeS正极在不同充放电状态下的原位拉曼光谱。(d) 分别浸泡四种正极后在2.25 V放电电压下的DME溶液的紫外-可见吸收光谱。

总之，该研究报道了线性键合有机硒硫化物杂化化合物正极材料的设计与合成，作为解决硫族基正极因低电导率和多硫族化物阴离子穿梭效应所导致的关键挑战的一种变革性候选材料。所制备的TMTSeS化合物具有链状结构、改善的电导率和高的硫族元素原子比例，通过涉及化学吸附和电化学转化的双重机制，显著提升了电化学性能。一系列电化学测试和光谱分析验证了该构型能够有效抑制电池循环过程中的穿梭效应，同时增强材料的结构稳定性。所得的TMTSeS正极展现出良好的电池性能，在1.0 A g⁻¹电流密度下实现了816.8 mAh g⁻¹的高比容量和每圈0.06%的超低容量衰减率。这些发现突显了有机硒硫化物杂化化合物的有趣潜力，为进一步推进锂-有机硫族化物电池技术向高比能、低成本和环境友好应用提供了一条可行途径。