构建 500 Wh/kg 电池级可充电锂硫电池（LSBs）的一种极具前景的策略是开发具备以下特性的宿主材料：超轻量化以减少非活性物质质量；双功能性以确保在低负极/正极容量比（N/P）下实现高效的硫反应与锂沉积；易浸润结构以实现与贫电解液的充分润湿。边缘掺杂碳材料兼具轻量化与独特的双功能性，是这类宿主材料中为数不多的候选者。然而，其制备过程通常需要增大比表面积或形成微孔/中孔，这会损害贫电解液条件下宿主材料的润湿性。

近期，郑州大学郭峻岭副教授、卢思宇教授、邵国胜教授与武汉理工大学刘金平教授合作，提出一种位阻效应诱导策略，通过采用含硼碳点（BCDs）作为杂原子引入前驱体，借助空间位阻效应，在自支撑碳纳米纤维（BCDs@CNF）上成功构建了丰富的边缘掺杂位点。该制备过程利用了 BCDs 的有机 - 无机双重特性：首先，BCDs 的有机特性使其与典型的碳纳米纤维（CNF）前驱体具有高度相容性，从而促进接枝状 BCDs 单元的均匀整合；其次，BCDs 的无机结晶核心在碳化过程中通过空间位阻作用，抑制接枝单元周围 CNF 前驱体的石墨化，进而推动边缘硼掺杂位点的形成。

理论计算与系统实验分析证实，这些边缘硼掺杂位点具备高效的双功能特性 —— 不仅能加速多硫化物（PSs）的转化，还能显著降低锂沉积的成核势垒，有效缓解多硫化物的累积与锂枝晶的生长。同时，CNF 作为一种易浸润且可规模化制备的碳骨架，保障了电解液的均匀分布。结果表明，基于 BCDs@CNF 的正极在硫载量高达≈8 mg cm⁻²（正极中硫含量 73%）、低电解液 / 硫比（E/S=5 μL mg⁻¹）的条件下，以硫为基准的容量达 1084 mAh g⁻¹，以全电极为基准的容量更是达到了优异的 791 mAh g⁻¹；与此同时，以该材料为支撑的锂金属负极在严苛条件（电流密度 = 5 mA cm⁻²、面容量 = 5 mAh cm⁻²）下，循环稳定性超过 600 小时。采用该宿主材料组装的≈2 Ah 软包型锂硫电池（LSBs），实现了 502 Wh kg⁻¹ 的优异电池级能量密度，且循环稳定性良好。

本研究首次在易浸润结构上实现了丰富双功能边缘掺杂位点的构建，并阐明了其形成机理。这一进展为设计超轻量化、高效双功能、易浸润的宿主材料提供了可能，也为开发高能量密度实用化锂硫电池开辟了新方向。该研究以“Steric‐Hindrance Effect Induced Fabrication of Lightweight, Bi‐Functional, and Easy‐to‐Infiltrate Hosts for 502 Wh kg⁻¹ Lithium‐Sulfur Batteries”为题目，发表在期刊《Advanced Materials》上。

图1：BCDs@CNF、B@CNF和CNF的表征。

图 2. 硼边缘掺杂位点的形成机理与表征

图 3. BCDs@CNF、B@CNF 及 CNF 的催化性能。

图 4. 硫载量为 8 mg cm⁻²、低电解液/硫比（E/S=5 μL mg⁻¹）的 S/BCDs@CNF 正极的电化学性能。

图 5. BCDs@CNF 的亲锂特性。

图 6. 不同锂金属负极的性能对比

图 7. 锂硫电池（LSB）软包电池的性能。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202518154