1、研究背景

有机硫化合物作为正极材料，可通过调节硫链连接的有机官能团实现优异的性能，例如二苯基四硫化物（PTS）具有六电子转移特性，理论比容量高达 570 mAh g⁻¹。然而，其实际应用仍面临诸多挑战：有机硫及放电产物 Li2S 的导电性差、反应动力学迟缓，中间产物苯硫锂 (PhS_xLi) 的溶解和穿梭效应更是导致循环稳定性差、容量衰减快，这些问题严重制约了锂-有机硫电池的发展。

2、文章概述

近日，郑州大学付永柱教授团队报道了一种通过缺陷工程设计的新型正极宿主材料——氮掺杂珊瑚状碳包裹的含硫空位的硫化铌 (NbS_x@N-CC)，并将其与碳纳米管 (CNTs) 交织，作为锂–二苯基四硫化物电池正极宿主。该材料能有效解决锂-有机硫电池的核心难题，显著提升电池性能。通过特殊的电弧放电法合成的NbS_x@N-CC电催化剂，其独特结构展现出三重优势：一是硫空位和氮掺杂碳的双重协同催化作用，增强了对关键中间产物 PhSxLi 的化学吸附，有效缓解了锂硫电池中的穿梭效应；二是加速了中间产物 PhS_xLi 的催化转化，提升反应动力学；三是促进了放电产物 Li₂S 的均匀快速沉积，优化了速率决定步骤。

3、图文导读

团队采用电弧放电法合成了 NbSₓ@N-CC。NbSₓ@N-CC 是一种富含硫空位的过渡金属硫化物，其被包裹在氮掺杂的中空碳材料中。通过将 NbSₓ@N-CC 与碳纳米管（CNTs）进行编织，制备出了一种适用于锂-有机硫（Li-PTS）电池的理想正极材料（参见图1），有效吸附锂多硫化物（LiPSs），加速中间体的催化转化，并促进硫化锂（Li₂S）的均匀沉积。

通过XRD、XPS、EPR等综合分析，结果表明NbS_x@N-CC中的富含硫空位的硫化铌的成功合成（参见图2）。BET结果表明，NbS_x@N-CC具有的较大比表面积和高孔隙率，为电化学反应提供了充足的活性位点，从而提高了电化学反应速率。

对NbS_x@N-CC和N-CC做SEM、TEM、EDS等分析，二者均呈珊瑚状。Nb、S元素均匀分布于球形NbS_x纳米颗粒。氮均匀掺杂于碳材料，两者间有空腔，证实NbS_x@N-CC为含硫空位硫化铌包裹于氮掺杂碳材料中。因碳层屏蔽，XRD中无明显NbS_x峰，N-CC结构中无NbS_x。（参见图3）

电化学测试表明，NbS_x@N-CC 在 Li-PTS 电池中表现优异：与N-CC和CNTs相比，其CV响应电流更高、极化更小，Tafel斜率更小，反应动力学更优；GITT测试显示内阻更低，利于Li₂S成核与分解。它对PhS_xLi吸附更强，锂离子扩散速率是对照组的3.6-4.8倍，Li₂S沉积容量更高，这得益于硫空位与氮掺杂碳的协同作用，有效促进还原反应。（参见图4）

NbS_x@N-CC 对 Li-PTS 电池的催化作用显示如下：0.5C  下其过电势为0.2263 V（低于 N-CC 的 0.2430 V和CNTs 的 0.2737 V），促进中间产物转化更完全，阻抗更小。NbS_x@N-CC的倍率性能优异，1-5 C时的放电容量为513.2-363.4 mAh/g，恢复 1 C时达到 440 mAh/g。长循环中，0.5C测试下500次容量保持率为61.1%（超对照组），3C测试下400次达到87.6%。高负载（6.0 mg/cm²）、低电解液（5 μL/g）下150圈保持率为97%。（参见图5）

4、结论

团队通过缺陷工程设计合成的NbS_x@N-CC催化剂，该催化剂的结构是珊瑚状氮掺杂碳包裹的富含硫空位的硫化铌。这种独特的结构可以提供大量的催化活性位点，不仅增强了对中间体有机多硫化物的吸附性，还显著提高了其催化转化能力。这些优点加速了电池内部的氧化还原动力学，提高了Li₂S的成核率，对增强电池性能起到了至关重要的作用。由此制备的Li-PTS/NbSx@N-CC电池在0.5 C下可提供520.7 mAh g⁻¹的高初始容量，衰减率相对较低（500个循环中每个循环仅衰减0.067%），即使在高硫负载（6.0 mg cm⁻²）和低电解质条件下（5 μL mg⁻¹）下仍然能保持优异的性能。简单的合成路线和卓越的性能显示了其未来在高能量密度锂有机硫电池中的巨大潜力。

Defect-Engineered NbS_x as an Efficient Cathode Host for High-Performance Li–Organosulfur Batteries

Xinfeng Ma, Yiming Zhang, Wanlin Yang, Chengda Liu, Xin Wang, Yongzhu Fu

ChemSusChem

DOI: 10.1002/cssc.202500983