一块电池，充一次电，让你的电动车跑1000公里！

3月4日，上海交通大学科研团队在国际期刊《Carbon Future》上发表了一项突破性研究成果。他们研制的新型锂硫电池在经历300次充放电循环后，仍保持着601毫安时/克的高容量，这意味着未来的电动汽车可能一次充电就能从北京开到上海，手机电池可能一周只需充电一次！

你可能会问，如果锂硫电池这么厉害，为什么我们的手机和电动车还在用锂离子电池？

事实上，锂硫电池的理论能量密度高达2500瓦时/公斤，是目前商用锂离子电池的近10倍。简单来说，同样重量的电池，锂硫电池能存储的电量是锂离子电池的10倍！而且，硫元素在地球上储量丰富，价格低廉，环保友好，听起来简直就是完美的电池材料！

但事情并没有这么简单。

就像一个天赋异禀却屡屡在关键比赛失误的运动员，锂硫电池虽有巨大潜力，却长期被三大技术难题困扰：

一是导电性差：硫及其放电产物就像绝缘体一样，电子和离子在里面移动困难，就好比在泥泞的道路上奔跑。

二是体积膨胀：电池充放电时，硫材料体积会膨胀约80%，就像一个不断膨胀的气球，最终会"撑破"电池结构。

三是穿梭效应：充放电过程中产生的多硫化物会在电极间"穿梭"，就像篮球比赛中的"猪队友"，导致电池自放电、效率下降。

这三大难题让锂硫电池的商业化之路异常艰难。

上海交通大学的研究团队没有选择绕开这些难题，而是迎难而上，他们巧妙设计了一种多层次多孔结构的TiO₂@NPC@S复合正极材料：

一是搭建"立体高速公路网络：他们利用金属有机骨架（MOF）派生的多孔结构，创造了微孔、介孔和大孔相结合的三维网络，就像城市的高架、地面和地下三层立体交通网，不仅提供了足够的空间容纳硫，还为电子和离子提供了"高速公路"。

二是打造"弹性海绵：这种多孔结构就像海绵一样，能够吸收电池充放电过程中的体积变化，防止结构崩溃。

三是设置"分子陷阱"：TiO₂和硫之间形成化学键，就像设置了分子级别的"陷阱"，牢牢捕捉那些想要"穿梭"的多硫化物。

这种创新材料在测试中展现出惊人的性能：

一是在0.5C倍率下，初始容量高达1327.35 mAh/g；

二是经过300次循环后，容量仍保持在601.54 mAh/g，每个循环平均容量衰减仅为0.16%；

三是速率性能优异：在1C倍率下达928 mAh/g，在1.5C倍率下达743 mAh/g。

要知道，商业对照样品Y-50@S在相同条件下100次循环后容量就已经衰减到低于168.16 mAh/g，而300次循环后几乎为零！这就好比两个跑步运动员，一个300圈后依然保持强劲步伐，另一个才跑了100圈就已气喘吁吁。

虽然这项研究取得了重大突破，但距离大规模商业应用仍面临三大挑战：

一是成本与量产问题：MOF材料的合成和加工成本相对较高，如何实现低成本批量生产仍需探索。

二是整体电池系统：研究主要集中在正极材料上，完整的锂硫电池系统还包括电解质、隔膜和负极等，需要全面优化。

三是安全性和长期稳定性：在实际应用环境中的安全性和更长周期（如1000次以上）的稳定性仍需验证。

虽然这样，这项研究仍然为锂硫电池的商业化提供了新的可能性路径。随着技术的进一步完善，我们或许很快就能看到容量是现在几倍的电动车和手机电池。

参考文献：

Peng Shi, Chengyao Zhu, Chuxin Chen, et al. MOF-derived 3D hierarchical porous TiO2@NPC@S as high-performance cathodes for Li-S batteries. Carbon Future, 2025, 2, 9200035.