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全固態鋰硫（Li-S）電池（ASSBs）為下一代安全、耐用和高能量密度的電池技術帶來了巨大的前景。然而，固態硫轉化反應動力學緩慢，并且主要受限于硫、碳和固態電解質的界面三相接觸的影響，這使得實現硫的高利用率具有挑戰性。

2025年1月6日，美國賓夕法尼亞州立大學王東海教授在國際頂級期刊Nature Materials發表題為《Overcoming the conversion reaction limitation at three-phase interfaces using mixed conductors towards energy-dense solid-state Li–S batteries》的研究論文，Daiwei Wang為論文第一作者，王東海教授為論文通訊作者。

他，清華本碩，博畢9年獲賓大終身教職，獨立通訊新發Nature Materials！

王東海，賓夕法尼亞州立大學教授。1997年和2000年在清華大學獲得學士和碩士學位，2006年在杜蘭大學獲得博士學位。2006-2009年先后在太平洋西北國家實驗室擔任博士后研究員和科學家。2009年加入賓夕法尼亞州立大學，2014年獲得終身副教授。

王東海教授課題組主要研究納米結構材料的廣泛電化學、機械和催化性能。他已在Nature Sustain.、Nature Energy、Nature Commun、Angew Chem Int Ed、J Am Chem Soc、Adv Mater、Adv Funct Mater、Nano Letters、Chem Mater等知名期刊發表學術論文。

在這里，作者在硫正極中開發并實現了混合離子-電子導體（MIECs），以取代傳統的固態電解質，并在傳統的三相界面之外在硫-MIEC界面處引發轉化反應。

顯微鏡和斷層掃描分析揭示了硫-MIEC邊界處嵌入硫的混合導電域的出現，有助于促進活性硫徹底轉化為Li₂S。

因此，Li-S ASSBs的活性硫比率（高達87.3%）和轉化率（>94%）顯著提高，且具有高放電容量（>1,450 mAh?g^–1）和長循環壽命（>1,000次循環）。

該策略還適用于提高其他轉化正極的活性材料利用率。

圖1：使用混合離子電子導體（MIEC）的硫正極示意圖

圖2：低硫利用率的本質原因

圖3：材料表征

圖4：60°C條件下全固態Li-S電池的電化學性能

圖5：S-C-MIEC20正極的表征

綜上，研究團隊開發了一種混合離子-電子導體（MIECs），用于替代傳統的固態電解質，以克服全固態鋰硫（Li-S）電池中硫轉換反應在三相界面的限制，提高硫的利用率和電池性能。這不僅為固態電池中電極界面的研究提供了新的視角，還提供了一種有效的策略來克服轉換型正極在ASSBs中的界面轉換反應限制，為開發高能量密度、低成本、長壽命的ASSBs鋪平了道路。

未來這項研究有望應用于電動汽車、大規模儲能和便攜電子設備等領域。

Wang, D., Gwalani, B., Wierzbicki, D.et al.?Overcoming the conversion reaction limitation at three-phase interfaces using mixed conductors towards energy-dense solid-state Li–S batteries.?Nat. Mater. (2025).?

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