兰大周金元、南京工业大学孙庚志等最新JACS：磁场调控双金属催化界面，实现锂硫全电池高比能与长循环兼得

一、【导读】

锂硫电池因其超高的理论能量密度（2600 Wh/kg）、硫资源丰富、环境友好等特点，被认为是下一代高比能储能系统的“明日之星”。Li–S电池的能量优势建立在硫的多电子转化反应基础上，但该过程伴随着多硫化锂的溶解与穿梭，导致正极活性物质流失、电池自放电加剧；与此同时，金属锂负极的非均匀沉积易诱发枝晶生成，进一步引发短路及安全隐患。为此，已有大量研究尝试通过催化剂、宿主材料、隔膜涂层或电解液添加剂分别针对正极或负极问题进行缓解。然而，同时调控正负极界面行为的系统性方法尚属稀缺。

二、【成果掠影】

近期，兰州大学周金元教授与南京工业大学孙庚志教授团队合作，在国际期刊Journal of the American Chemical Society发表了题为 “Ferromagnetic Bimetallic Catalysts Enhance the Overall Performance of Lithium–Sulfur Batteries under a Magnetic Field”的最新研究成果。该工作首次提出并实证了一种基于非常规d–p杂化铁磁双金属Fe₃Ga的界面调控策略，结合外加磁场驱动机制，实现了对正极硫还原反应（SRR）与负极锂沉积行为的双向增强，显著提升了锂硫全电池的倍率性能与循环寿命。

三、【核心创新点】

该研究提出以非常规d–p轨道杂化的铁磁性合金Fe₃Ga作为正负极的双功能界面材料，并在外加磁场下，通过磁致催化效和磁流体动力学调控，实现以下多重协同机制：

1. 正极方向：Fe₃Ga纳米颗粒增强对LiPSs中间体的可逆吸附与电催化转化，提升多硫化物的反应动力学；
2. 负极方向：磁化的Fe₃Ga通过诱导Li⁺横向扩散和深层沉积，构建稳定的锂沉积界面，显著抑制枝晶；
3. 电子结构调控：磁场增强Fe–Ga之间的d–p杂化耦合，提升载流子迁移率，形成快速电子通道（S → Fe → Ga）；
4. 离子轨迹优化：通过Lorentz力作用实现Li⁺扩散轨迹的重构，推动界面反应区域的空间均匀性

四、【数据概览】

论文中的图1结合DFT计算研究了传统d-p耦合催化剂（阴阳离子配位催化剂），非传统双金属催化剂，以及双金属铁磁催化剂Fe₃M的构型设计，进一步探究了Fe₃M催化剂在磁场辅助下对锂硫电池催化能力的调控机制，清晰说明了磁场作用下的电子轨道耦合、能垒、吸附能变化等差异。

图2则结合第一性原理计算结果，从理论层面揭示Fe₃Ga在多硫化锂（Li₂S₄、Li₂S₂、Li₂S）反应路径中的催化优势，包括吸附能变化、Gibbs自由能、电荷转移路径和HOMO-LUMO能隙变化等，验证了该材料在磁场中表现出增强的电子耦合和更低的反应势垒，通过多硫化锂分解势垒发现场调控催化剂具有显著的双向催化能力。

图3通过TEM、HRTEM及元素Mapping等手段确认了Fe₃Ga纳米颗粒的结构特征及其在碳纳米纤维表面的分布情况，同时通过XRD、Raman与XPS等谱图进一步佐证了其晶体结构、石墨化程度以及元素价态分布，为催化性能提供了材料基础。

图4重点展示了不同材料及磁场状态下的反应动力学，包括CV曲线变化、电荷转移电阻（EIS）、Li₂S沉积行为和电化学活化能等，通过对比实验表明，Fe₃Ga@CNF在磁场作用下具有显著提升的电子/离子迁移能力和反应速率。

图5系统评估了Fe₃Ga@CNF/S正极在锂硫半电池中的倍率性能与长循环稳定性，在3.0C下仍可保持1091.7 mAh/g容量，10.0C下循环300圈后的容量保持率达到98.1%，同时与文献中代表性成果进行了横向对比，进一步凸显了该体系在倍率与寿命兼顾方面的显著优势。

图6展示了Fe₃Ga@CNF材料在负极中的作用机制及其在对称电池、全电池与软包电池中的综合表现，包括锂沉积形貌、循环稳定性、电压平台与能量密度评估，其中软包电池实测比能量达317 Wh/kg，表明该策略具有明确的工程化潜力与实用价值。

五、【成果启示】

本工作首次将非常规d–p轨道杂化的铁磁双金属材料与磁场耦合策略相结合，系统性提升了锂硫电池中正极转化效率与负极沉积稳定性。该研究不仅提供了一种具有高度协同效应的界面调控新路径，也为今后外场作用（磁、电、光）在储能器件中的集成提供了方法论基础。

文献链接: Ferromagnetic Bimetallic Catalysts Enhance the Overall Performance of Lithium–Sulfur Batteries under a Magnetic Field, Guowen Sun, Chao Yue Zhang, Mengjing Jin, Jiayue Li, Xiaojun Pan, Andreu Cabot, Gengzhi Sun, and Jin Yuan Zhou, Journal of the American Chemical Society Article ASAP, DOI: 10.1021/jacs.4c15169

六、【作者简介】

【通讯作者简介】

周金元，兰州大学物理学院教授、博士生导师，2021年增选为材料与化工专业学位研究生教育指导委员会委员。迄今为止，主持和参与省部级项目6项，已在Sci. Adv.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、 Angew. Chem. Int. Edit.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、eScience、Energy Storage Mater.、Sensor Actuat. B-Chem.、Appl. Phys. Lett.等国际知名SCI期刊杂志上发表了200余篇学术论文。

孙庚志，南京工业大学先进材料研究院教授、博士生导师、江苏特聘教授。近年来在Angewandte Chemie-International Edition、Advanced Materials、Materials Today、Advanced Functional Materials、ACS Nano等国际期刊发表SCI论文170余篇，6篇入选ESI高被引论文，1篇入选热点文章。先后主持国家自然科学基金2项、江苏省自然科学基金1项、江苏省六大人才高峰B类项目。长期担任Nature Communications、Advanced Materials、Advanced Energy Materials等国际期刊的审稿人。

【第一作者简介】

孙国文，兰州大学物理科学与技术学院2021级博士，现为兰州理工大学青年教师，研究方向为能源材料与器件，主要面向场调控催化剂的应用研究。近年来在J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Edit.，ACS Nano，EnSM，CEJ，Small，Appl. Phys. Lett.等国际期刊发表SCI论文20余篇。主持甘肃省“创新之星”项目一项，中央高校基础科研业务费一项，入选2024年中国科协青年人才托举工程博士生专项计划。担任Journal of Energy Storage等国际期刊的审稿人。