锂硫电池使用硫作为正极材料，硫资源丰富且无毒，价格低廉（对比钴、镍等），具有低成本、低毒性的特点，并且具有较高的理论能量密度（2674Wh/kg），远高于现有锂离子电池能量密度（~200-300Wh/kg），是未来电池发展方向之一。然而，硫在充放电过程中经历固态硫、可溶性多硫化锂与难溶硫化锂之间的多步转化。而可溶性中间产物容易跨越隔膜向锂负极迁移，造成活性物质损失和副反应。且硫化锂生成与分解过程迟缓，又限制了反应的充分进行。因此，高性能的锂硫电池的功能隔膜需要同时具备有效捕获中间产物和促进后续反应的能力，使被截留的硫物种持续参与可逆循环。基于此问题，学院彭尚龙教授团队通过构筑了具有Ti–O–Mo化学键连接的MXene/二碲化钼复合界面，实现多硫化物吸附与硫物种双向转化的协同调控，从而使得基于此隔膜的锂硫电池在5C电流密度下1000次循环后平均每圈容量衰减率仅为0.021%，实现了高倍率下的超高循环稳定性。在改性隔膜中，MoTe₂提供极性吸附和催化位点，MXene则提供导电网络与分散载体。两者通过表面含氧官能团形成Ti–O–Mo化学键，此化学键有利于建立界面电子传输路径，使导电骨架与反应位点有效协同，从而实现了高倍率下超高的循环稳定性。相关成果以“Enabling high stability lithium–sulfur batteries by separator modification with chemically bonded functional groups”为题，于2026年8月25日发表于国际著名期刊《Applied Physics Letters》上。

XRD、Raman及电子显微镜测试结果证明了复合材料中2H-MoTe₂的存在，X射线光电子能谱则为界面化学键合提供了依据（如图1所示）。

图1. 化学键合复合界面的结构与光谱表征（原论文图2）

为揭示化学键合的作用，研究团队将纯MXene、纯MoTe₂及两者物理混合材料作为对照样品，并结合吸附、沉积与溶解实验考察硫物种转化行为。MX@MoTe₂对多硫化物表现出更强的固定能力，其硫化锂沉积容量达到351.3 mAh g^-1，高于物理混合材料的 267.2 mAh g^-1 和纯MoTe₂的176.8 mAh g^-1；反向溶解容量达到331.9 mAh g^-1，同时表现出更早的电流响应和更高的反应电流。循环伏安与充电曲线显示了极化减小、转化可逆性改善。多种实验相互印证，表明该界面既促进放电过程中硫化锂生成，也有利于其在充电时重新参与反应，体现出双向催化作用（如图2所示）。

图2. 多硫化物吸附及硫化锂沉积、溶解的双向转化证据（原论文图3）

理论计算从原子尺度解释了这一协同机制。MX@MoTe₂对多种硫物种具有更强的结合能力，并降低了多硫化物逐步还原过程中若干步骤的自由能上升幅度。在充电方向，硫化锂分解能垒由纯 MoTe₂表面的0.41 eV 降至化学耦合界面的0.29 eV，也低于物理混合体系的 0.33 eV（图3）。这些结果与沉积、溶解实验结果一致，支持界面耦合改善吸附与转化的解释：导电网络帮助电子到达反应位点，极性表面捕获可溶性中间产物，界面作用进一步促进其完成后续转化，推动活性硫的可逆利用。

图3. 理论计算揭示复合界面对硫物种吸附与转化的调控作用（原论文图4）

对制备的电池性能进行了测试，采用MX@MoTe₂改性隔膜的电池在0.1 C下初始比容量达到1638.3 mAh g^-1，100次循环后仍为1049.6 mAh g^-1；在5C下实现了1000次循环后0.021%的平均容量衰减率。团队进一步将硫负载量提高至9.34 mg cm^-2，在电解液/硫比为6.0 μL mg^-1 时，获得768.5mAh g^-1的比容量和7.18 mAh cm^-2 的面容量，展示了较高活性物质负载下的储电能力（图4）。其中，高载硫测试采用初始0.01C活化后于0.05C循环的条件，与5C下1000次循环测试分别验证了不同工况下的性能。

图4. 改性隔膜的循环、倍率及高载硫性能验证（原论文图5）

该研究工作将界面化学键合引入锂硫电池隔膜的设计中，建立了材料结构、电子传输与硫物种双向转化之间的联系，为兼顾多硫化物固定和反应动力学提供了设计思路。高载硫条件下的性能也为进一步应用提供了依据，后续可围绕更严格的电解液用量、有限锂负极及更大尺寸电池开展验证。

兰州大学为论文第一署名单位。学院博士研究生刘哲为文章第一作者，彭尚龙教授为通讯作者。该研究得到中国工程院院地合作重点项目和甘肃省科技重大专项等项目的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1063/5.0320923