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  鋰硫電池的高理論能量密度使其成為下一代儲能體系的有力競爭者，然而極端溫度環境下的性能衰減限制了其實際應用——低溫環境會引發多硫化物轉化動力學遲緩，導致活性物質利用率下降；高溫環境則會加劇多硫化物溶解和穿梭，造成活性物質不可逆損失。這兩類失效模式與多硫化物穿梭、電極體積變化和反應動力學遲緩等鋰硫電池固有問題深度耦合，嚴重影響了電池的穩定性和循環壽命。雖然電催化策略被證明能促進電化學反應，但其實際效率受限于電極結構的穩定性和電催化劑的溫度適應性。因此，開發兼具機械穩定性與本征電催化功能的寬溫域適應性關鍵材料仍是鋰硫電池領域的重大挑戰之一。

  近期，大連理工大學蹇錫高院士、胡方圓教授、東北林業大學張天鵬教授聚焦鋰硫電池領域關鍵科學問題，通過對天然高分子的結構修飾與復合改性，創制出具有寬溫域自適應能力的電場驅動粘結劑（GSCC），突破了傳統粘結劑溫度適應性薄弱和作為非活性組分僅提供單一機械性能的限制，助力鋰硫電池在-40°C至60°C穩定服役。該粘結劑是由短共軛鏈段修飾的天然高分子與鎵錫液態金屬復合而成（圖1），聚合物的短共軛鏈段提供了更高的局域電子電導率，并且其極性官能團的配位作用結合液態金屬的電場驅動特性構建了均勻穩定的電催化環境，同時液態金屬的相變特性增強了材料的溫度適應性。因此，GSCC不僅能在寬溫度范圍內有效吸附并加速多硫化物的轉化，還兼具高溫自修復與低溫內支撐能力，利于鋰硫電池在極端溫度環境下穩定服役。

圖1 GSCC示意圖及聚合物結構優勢對比圖。

  基于GSCC復合粘結劑對多硫化物高效的吸附及催化轉化作用，改善了電池電化學反應動力學特性。通過原位拉曼測試，系統研究了工況下該粘結劑對多硫化物的吸附調控能力。結果表明，GSCC豐富的極性吸附位點能有效抑制多硫化物穿梭效應（圖2）。通過密度泛函理論（DFT）計算，探究了GSCC對活性物質的吸附能力和電催化作用。結果證明，GSCC對不同多硫化物均具有較高的吸附能，并且動態電催化活性位點降低了多硫化物轉化過程的反應能壘，使其具有較強的自發反應傾向。電化學測試表明，GSCC不僅顯著提升了電池的倍率性能和循環穩定性，更能增強電極的結構穩定性和活性物質負載能力，由其組裝的高負載鋰硫軟包電池在30次循環后容量保持率達85%以上。上述研究結果表明，GSCC復合粘結劑在鋰硫電池中具有實際應用潛力（圖3）。

圖2 不同粘結劑作用下活性物質的電化學測試、光譜表征和計算模擬結果圖。

圖3 基于GSCC粘結劑的鋰硫扣式電池和軟包電池的電化學性能

  GSCC通過局部高導電共軛鏈段、交聯氫鍵網絡和動態活性位點構建的高電催化活性環境能夠在寬溫度范圍內增強電池性能。對于鋰硫電池的電化學反應過程，GSCC可有效催化加速Li₂S₄向Li₂S₂轉化過程（該過程被視為速率決定步驟），并且該粘結劑具有優異的溫度適應性（圖4）。因此，即使在極端溫度環境下，基于GSCC的鋰硫電池仍能穩定服役，其在-30℃下0.1 C循環60次后容量無衰減，在60℃下0.5 C循環300次每循環平均容量衰減率僅為0.095%。此外，通過構建溫度-相態-性能聯動分析曲線，進一步探究了GSCC中聚合物與液態金屬優勢互補的工作機制——高溫環境下液態金屬呈現液體性狀，其受電場驅動的形變遷移能力為正極提供了豐富的動態催化位點，而聚合物通過極性基團配位作用不僅可有效降低液態金屬團聚導致的活性位點損失，還能進一步增強其電催化活性；低溫環境下液態金屬呈現固體性狀，其機械強度為正極提供了良好的剛性支撐，而聚合物則可通過對多硫化物極性吸附以補償液態金屬凝固導致的活性位點催化效率下降問題，還能提供離子躍遷位點以增強活性界面離子傳輸動力學過程。（圖5）。

圖4 寬溫范圍內使用不同粘結劑鋰硫電池的電化學性能與動力學分析圖

圖5 GSCC電池寬溫范圍內的循環性能與工作溫度對比

  GSCC具有電場驅動特性，即其中液態金屬可在電場調控下進行形變與遷移，從而利于活性位點均勻分散，以提升電催化效率（圖6）。在微介觀尺度電場驅動特性可促進活性位點均勻分散，從而提升電催化效率。這一特性結合聚合物極性基團配位作用和氫鍵網絡自修復能力可提供穩定的電催化環境（圖6），可助力鋰硫電池在極端溫度環境下穩定服役。

圖6 GSCC的電場驅動特性與自修復能力

  這項研究工作突破了傳統粘結劑溫度適應性差和本征電催化能力缺失的局限性，系統研究了不同溫度下聚合物復合材料特性對電催化能力和結構穩定性的調控機制，實現了鋰硫電池可在寬溫域（-40~60℃）穩定服役，為解決極端溫度下的電池性能衰減提供了新思路。研究成果以“Wide temperature range adaptable electric field driven binder for advanced lithium-sulfur batteries”為題發表在Nature Communications上（Nature Communications, 2025, 16, 7860）。大連理工大學2021級博士研究生江萬源是論文的第一作者，通訊作者為大連理工大學蹇錫高院士、胡方圓教授和東北林業大學張天鵬教授。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-62909-1