鋰硫電池因其超高能量密度、低成本及環境友好性，被認為是下一代儲能技術的理想選擇。然而，目前鋰硫電池的實際應用仍面臨諸多挑戰，其中溶劑化鋰離子（Li⁺-Solvents）在電極/電解液界面的去溶劑化過程緩慢，極大限制了Li⁺的傳輸與擴散速率，并進一步影響硫正極的氧化還原反應動力學。近日，西安交通大學楊卷副教授與北京化工大學邱介山教授合作，創新性提出一種電化學原位摻雜耦合自組裝策略，成功構筑了鎳單原子修飾的石墨烯膜（Ni-SA-G），研究揭示了電催化活性位點（Ni-O₅）與納米通道限域對Li⁺-Solvents脫溶劑化過程的雙重作用機制，顯著提升了硫正極的氧還原反應的動力學和鋰負極的穩定性。此外，Ni-SA-G膜材料呈現出獨特的層狀結構，能夠有效改善多硫化鋰（LiPSs）的穿梭效應。

通過電化學剝離和原位摻雜策略，制備出Ni單原子錨定的石墨烯納米片（Ni-SA-G），通過系統的微觀結構表征顯示，Ni-SA-G具有規整的二維納米片形態，通過自組裝過程很容易形成具有多層結構的石墨烯膜，且Ni單原子均勻分散于石墨烯表面。同步輻射結果進一步證實，該石墨烯表面的Ni單原子具有獨特的Ni-O₅配位結構，可以有效優化活性位點的電子狀態和微環境，進而調控Li⁺-Solvents的脫溶劑化過程。

原位拉曼光譜結果表明，Ni-SA-G膜作為硫正極的“前置面（cathode front-faces）”，利用石墨烯表面Ni單原子的競爭配位作用，并結合石墨烯膜層間的納米限域效應，協同加速了Li⁺-Solvents的脫溶劑化過程。進一步，在電場作用下，脫溶劑的Li+擴散到電極/電解液界面，并與硫正極發生反應，從而實現了硫物種快速的氧化還原動力學。

得益于上述優勢，基于Ni-SA-G組裝的鋰硫電池展現出優異的電化學性能：0.1 C 下，比容量高達1169 mAh g^-1，2 C時仍可保持565 mAh g^-1，在1 C下前400次循環容量保持率為100%， 700次循環后，容量衰減率僅為0.024%。此外，當硫負載量為4.78 mg cm^-2時，可實現4.0 mAh cm^-2的面容量（0.2 C）。

該工作通過催化與物理限域協同優化Li⁺-Solvents的溶劑化結構，實現LiPSs的快速轉化，為鋰硫電池體系中離子輸運與電化學反應的界面調控提供了新范式。

Promoting Li⁺-Solvents Desolvation by Engineering Nickel Single Atoms into Graphene Membrane toward Fast Sulfur Redox Kinetics

Songjie He, Juan Yang, Zhibin Liu, Siyu Liu, Jiayi Yu, Jieshan Qiu

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202424390