2026年3月30日，js9900金沙深地工程智能建造与健康运维全国重点实验室（以下简称全重实验室）王丹教授团队在《自然·可持续发展》（Nature Sustainability）在线发表题为“Spatially coupled adsorption and catalysis for sustainable lithium-sulfur batteries”的研究论文。该工作创新性地构建了一种sp氮掺杂石墨炔多壳层中空结构（HoMS），基于此结构，形成了一种“吸附-催化空间耦合”的全新电极设计策略，为高能量密度、可持续锂硫电池的发展提供了重要支撑，也标志着全重实验室在“深地深海深空绿色能源开发”(低碳绿色能源理论与技术)这一重点研究方向取得了重要突破。
锂硫电池因其超高理论能量密度和硫资源丰富、成本低廉，被认为是下一代储能技术的重要候选。然而，其实际应用长期受限于多硫化物穿梭效应、反应动力学缓慢以及高负载条件下性能衰减等关键瓶颈。传统解决方案通常依赖引入大量宿主材料或催化剂，虽然提升了稳定性，却显著增加了“无效质量”，反而降低了电池整体能量密度。 针对这一核心矛盾，研究团队创新性地构建了一种sp氮掺杂石墨炔多壳层中空结构（sp-N GDY HoMS），在材料内部实现吸附位点与催化位点的空间耦合。该结构通过轨道重叠增强电子传输与电荷重分布，不仅强化了多硫化物的吸附，还显著加速其氧化还原反应动力学，从根本上实现“高效催化+轻量化设计”的统一。得益于这一设计，该体系在接近实际应用条件下实现了高达93.9%的超高硫负载，获得接近理论极限的比容量（1,462 mAh g??，以硫+宿主总质量计），并在10C高倍率下仍保持优异性能，循环600次后依然稳定。同时，软包电池能量密度达到约457 Wh kg??，展示出良好的工程应用潜力。
本工作中sp氮掺杂石墨炔多壳层中空结构（HoMS）及锂硫电池关键性能
机理研究表明，sp氮位点与邻近碳原子的协同作用是性能提升的关键，其诱导形成的高密度极化活性位点能够同时促进多硫化物的固定与转化。此外，多壳层结构提供的分级空间限域与高效离子传输通道，也显著提升了体系的反应动力学和结构稳定性。该研究突破了锂硫电池领域长期存在的能量密度—循环稳定性权衡瓶颈，提出了一种可推广的材料设计范式，为发展高性能、资源高效的下一代储能体系提供了新思路，对推动绿色能源存储技术产业化具有重要意义，该成果也将为全重实验室“三深”能源资源开发与利用方向提供关键性的储能技术支撑。
本工作第一完成单位为js9900金沙深地工程智能建造与健康运维全国重点实验室。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41893-026-01794-y
（深地工程智能建造与健康运维全国重点实验室 供稿）
