清华大学化工系张强团队合作在高比能锂硫电池溶剂化学研究中取得新进展

近日，清华大学化工系张强教授团队合作在高比能锂硫电池阴离子溶剂化学研究中取得新进展。研究团队及合作者突破了以往研究中对锂盐阴离子功能的传统认知，揭示了阴离子与弱溶剂的竞争配位作用，通过增强阴离子对关键中间体多硫化锂的配位，强化了锂硫电池正极侧的电荷转移过程，实现了高比能长循环的锂硫电池器件。

面向无人飞行器、平流层飞艇等前沿应用的长续航需求，开发具有高能量密度的电池体系至关重要。锂硫电池的理论能量密度高达2600 Wh kg^-1，是商用锂离子电池的八倍以上，被视为理想的下一代电池体系。然而，目前锂硫电池的实际能量密度往往低于500 Wh kg^-1，限制了其在实际场景中的应用。上述瓶颈问题的出现源于对锂硫电池的溶剂化学认知模糊。具体而言，锂硫电池体系高度复杂，电解液中既含有溶剂、锂盐等必要组分，也含有大量多硫化锂分子作为关键中间体，溶剂、锂盐和关键中间体之间的相互作用规律仍不明晰。

阴离子竞争性配位示意图与本工作和领域内锂硫电池的性能对比

研究团队基于弱溶剂化电解液体系，对强溶剂、弱溶剂、锂盐阴离子和多硫化锂分子之间的相互作用开展系统研究。通过谱学实验和计算模拟指认了锂盐阴离子和弱溶剂对多硫化锂的配位能力相近、在实际电解液中二者存在配位竞争关系。弱溶剂的直接配位会导致多硫化锂的电荷转移能力下降，进而使得电化学极化增大、电池因正极问题快速失效。基于上述理解，研究团队调控锂盐阴离子的配位能力增强，从而减少弱溶剂对多硫化锂的直接配位。经过调制的锂键相互作用提升了多硫化锂的电荷转移反应速率，并进一步实现了实际能量密度高达622 Wh kg^-1的锂硫电池器件。该研究解耦了锂硫电池中复杂的溶剂化学机制，指认了阴离子的竞争配位作用与反应调控原理，展示了溶剂化学在高比能锂硫电池中的巨大潜力。

研究成果以“竞争性阴离子配位克服锂硫电池中的电荷转移能垒”（Competitive anion coordination overcomes charge-transfer barriers for lithium‒sulfur batteries）为题，于1月23日发表于《焦耳》（Joule）。清华大学化工系教授张强与北京理工大学前沿交叉科学院教授李博权为论文通讯作者。清华大学化工系2021级博士生李西尧为论文第一作者。论文共同作者包括北京理工大学前沿交叉科学院2023级硕士生金天、泰山学院化学化工学院副教授冯帅、清华大学化工系2022级博士生高宇辰等。

张强教授团队在锂电池溶剂化学领域长期探索，原创性地提出了电池中的锂键概念，为高性能电池的设计提供了重要理论支撑。近期，团队定量辨析了锂键的化学特征，发现锂键由局域电子效应主导而锂离子键由静电作用主导，由此揭示了锂键的化学本质（Chem2025,11,102254）。团队结合机器学习方法，对锂键的形成条件和普适性规律进行了探索和预测，深化了锂键化学的研究内涵（Angew.Chem.Int.Ed. 2026,65,e17523）。团队进一步在高浓电解液中指认了锂键的物理化学属性，提出了锂键构筑的缓冲层有助于稳定大尺寸溶剂化结构，拓宽了锂键化学的应用区间（ACS Energy Lett.2026,10.1021/acsenergylett.5c03804）。

相关研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金的支持。

论文链接：

https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(25)004404

https://www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(24)00359-0

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202517523

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.5c03804

供稿：化工系

编辑：刘芳芳

审核：郭玲