温州大学AM：天然透明质酸，为实用锂硫电池电催化剂提供新方案！

随着全球对高比能、低成本储能技术的需求日益迫切，锂硫电池因其理论能量密度高达2600 Wh/kg而成为新一代储能体系的研究热点。然而，当前锂硫电池实际能量密度不足100 Wh/kg，主要归因于其需依赖过量电解液（电解液/硫比E/S > 20 μL mg⁻¹）。为实现400 Wh/kg的实用化目标，E/S需降至5 μL mg⁻¹以下，但该条件将引发三大难题：多硫化物（LiPSs）浓度过高导致电解液黏度增大、离子传导受阻；多硫化物向锂负极扩散引发副反应，加速电解液消耗；硫物种溶解度饱和致使电极钝化，电池容量急剧衰减。

温州大学杨植教授、杨硕副教授和济南大学刘皓教授合作，创新性地利用天然保湿材料——透明质酸（HA）的双螺旋结构，设计出兼具电解液锁存与多硫化物催化双功能的电极改性剂。实验表明，HA通过分子内氢键高效吸附电解液，其螺旋腔内的N位点催化多硫化物转化，同时螺旋通道加速锂离子迁移。在8 mg cm⁻²高硫载量、3 μL mg⁻¹贫电解液条件下，电池实现11.76 mAh cm⁻²的面容量和409 Wh/kg的 gravimetric 能量密度，性能居国际领先水平。相关论文以“Hyaluronic Acid with Double Helix Ion Channels for Efficient Electrolyte Retention and Polysulfide Regulation in Lean-Electrolyte Lithium–Sulfur Batteries”为题，发表在Advanced Materials 上。

图1 揭示了HA的设计灵感：其双螺旋结构由两股二糖链（D-葡萄糖醛酸和N-乙酰-D-葡糖胺）缠绕而成，螺旋腔可构建柱状离子通道并锁存电解液。羟基官能团通过氢键吸附电解液分子，而N位点基于元素周期扩展理论可清除硫自由基，抑制多硫化物穿梭。

图1 HA作为硫氧化还原（SRR）催化剂和电解液储库的设计灵感示意图。

图2量化了HA的电解液保留能力。紫外光谱显示HA对DOL/DME溶剂吸附量达74.8 μL mg⁻¹，是碳纳米管（CNT）的2.4倍。原位拉曼光谱证实螺旋腔可将溶剂分子约束时间延长至25分钟（单体混合物仅10分钟）。分子动力学模拟表明，螺旋腔内氢键吸附能更低（DME: -18.11 eV），显著提升微域电解液保有量。

图2 电解液保留能力量化：a) 标准溶液的叠加紫外光谱；b) 紫外吸光度与DOL/DME体积的线性拟合；c) HA和CNT吸附溶剂后的紫外光谱及吸附量；d,e) HA和单体表面溶剂环境的原位拉曼光谱；f) HA与单体吸附DOL/DME的模型及能量。

图3证实HA催化多硫化物转化。XPS显示Li₂S₆吸附后HA的N 1s峰向高结合能偏移，形成Li-N键。分子模拟表明螺旋腔N位点对Li₂S₆吸附能达-5.18 eV（石墨烯仅4.99 eV）。CV测试中HA改性电极极化电压差（ΔV）缩小，Tafel斜率最低至16 mV dec⁻¹（峰值II），Li₂S成核速度提升4倍，液固转化率（NTR）接近理想值3，证实其高效催化作用。

图3 硫转化动力学催化能力分析：a) 硫物种吸附能及Li₂S₆吸附模型；b) 富电解液下电极的CV曲线；c) 峰值II的Tafel斜率；d,e) Li₂S在HA/CNT和CNT电极的恒电位成核曲线；f) 液固转化率（NTR）对比；g) 电荷转移电阻（Rct）；h,i) 放电过程中多硫化物原位紫外等高图。

图4阐明双螺旋加速锂离子迁移。CV斜率分析显示HA改性电极的Li⁺扩散系数（D_{Li⁺}）全面提升。GITT测试中HA电极极化电压（189.1 mV）显著低于对照组。分子动力学模拟进一步验证：双螺旋结构的螺旋加速效应使D_{Li⁺}比无螺旋单体高1个数量级。

图4 Li⁺传输研究：a-c) 不同电极的Ip/v⁰.⁵斜率；d) GITT曲线；e) Li⁺扩散系数；f) 极化电压参数；g,h) Li⁺扩散分子动力学模型及系数。

图5展示电池性能突破。HA改性电极在0.2C下初始容量达1493 mAh g⁻¹（硫利用率89.13%），5C高倍率仍保持684 mAh g⁻¹。1500次循环后容量保持率69.8%，单周衰减仅0.02%。更引人注目的是，高硫载量（8 mg cm⁻²）贫电解液（E/S=3 μL mg⁻¹）软包电池首周面容量11.76 mAh cm⁻²，能量密度409 Wh/kg，可驱动微型无人机持续飞行20分钟（较传统锂电提升4倍）。

图5 电池性能：a) 倍率性能；b) 0.2C充放电曲线；c) 1C长循环；d,e) 高硫载量贫电解液循环及充放电平台；f) 软包电池性能；g) 与其他体系的能量密度对比。

应用前景

该研究首次将天然保湿材料转化为高效电催化剂，通过HA的三重功能协同作用——螺旋腔锁存电解液、N位点催化多硫化物、双螺旋加速锂离子迁移，为贫电解液锂硫电池实用化开辟新路径。团队未来将探索更多低成本保湿材料，推动该策略在多元储能体系中的应用。

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