近日，海南大学材料科学与工程学院教授邓意达、李运勇团队在锂硫电池关键催化机理研究方面取得重要进展，首次提出基于p-p-s电子轨道耦合的阴离子掺杂催化剂设计新准则，为锂硫电池高效催化材料开发提供全新方向，相关研究成果发表于国际期刊《自然-通讯》。
锂硫电池拥有超高的理论质量能量密度与体积能量密度，在低空无人机、海洋装备等对空间和重量高度敏感的应用领域具备重要发展潜力。但该电池实际应用中，长期受多硫化锂转化动力学缓慢、反应能垒高及穿梭效应等问题制约，发展高效催化材料、加速硫氧化还原反应，成为该领域亟须突破的关键科学问题。
针对这一技术瓶颈，研究团队围绕阴离子掺杂过渡金属化合物催化剂的构效关系展开研究，融合机器学习方法、密度泛函理论计算与实验验证手段，从电子结构本质出发，提出了全新的阴离子掺杂催化剂设计准则。
该准则突破了传统仅增加活性位点数量的设计思路，通过调控阴离子、催化剂表面硫/硒原子与多硫化锂中锂原子之间的电子耦合强度，实现多硫化锂吸附与转化行为的优化，为高效催化材料的定量设计奠定了理论基础。
为进一步量化p-p-s电子耦合强度与催化性能的关联，研究团队提出两个全新参数，通过机器学习方法建立起吉布斯自由能垒与p-p-s耦合强度的映射关系，成功验证了设计准则的科学性。研究同时揭示，只有适度的轨道耦合强度，才能在吸附与反应活性之间实现最佳平衡，从而有效降低反应能垒、提升催化性能，为催化剂的筛选与优化提供了重要理论依据和工具。
在理论研究的指导下，团队成功筛选并构筑出硼掺杂二硒化钨/MXene高效催化材料，并将其应用于锂硫电池硫正极。实验结果显示，该材料即便在高硫载量和贫电解液条件下，仍展现出优异的电化学性能，其中3安时级软包电池的能量密度更是超过430瓦时每公斤，充分验证了该设计准则在实际电池应用中的可行性和先进性。
李运勇表示，该研究成果不仅为锂硫电池高效催化材料的设计提供了新思路，具有重要的学术意义，还为高能量密度储能器件的开发和实际应用提供了关键技术支持。
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-025-65908-4
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