锂硫电池因其超高能量密度、低成本及环境友好性，被认为是下一代储能技术的理想选择。然而，目前锂硫电池的实际应用仍面临诸多挑战，其中溶剂化锂离子（Li⁺-Solvents）在电极/电解液界面的去溶剂化过程缓慢，极大限制了Li⁺的传输与扩散速率，并进一步影响硫正极的氧化还原反应动力学。近日，西安交通大学杨卷副教授与北京化工大学邱介山教授合作，创新性提出一种电化学原位掺杂耦合自组装策略，成功构筑了镍单原子修饰的石墨烯膜（Ni-SA-G），研究揭示了电催化活性位点（Ni-O₅）与纳米通道限域对Li⁺-Solvents脱溶剂化过程的双重作用机制，显著提升了硫正极的氧还原反应的动力学和锂负极的稳定性。此外，Ni-SA-G膜材料呈现出独特的层状结构，能够有效改善多硫化锂（LiPSs）的穿梭效应。

通过电化学剥离和原位掺杂策略，制备出Ni单原子锚定的石墨烯纳米片（Ni-SA-G），通过系统的微观结构表征显示，Ni-SA-G具有规整的二维纳米片形态，通过自组装过程很容易形成具有多层结构的石墨烯膜，且Ni单原子均匀分散于石墨烯表面。同步辐射结果进一步证实，该石墨烯表面的Ni单原子具有独特的Ni-O₅配位结构，可以有效优化活性位点的电子状态和微环境，进而调控Li⁺-Solvents的脱溶剂化过程。

原位拉曼光谱结果表明，Ni-SA-G膜作为硫正极的“前置面（cathode front-faces）”，利用石墨烯表面Ni单原子的竞争配位作用，并结合石墨烯膜层间的纳米限域效应，协同加速了Li⁺-Solvents的脱溶剂化过程。进一步，在电场作用下，脱溶剂的Li+扩散到电极/电解液界面，并与硫正极发生反应，从而实现了硫物种快速的氧化还原动力学。

得益于上述优势，基于Ni-SA-G组装的锂硫电池展现出优异的电化学性能：0.1 C 下，比容量高达1169 mAh g^-1，2 C时仍可保持565 mAh g^-1，在1 C下前400次循环容量保持率为100%， 700次循环后，容量衰减率仅为0.024%。此外，当硫负载量为4.78 mg cm^-2时，可实现4.0 mAh cm^-2的面容量（0.2 C）。

该工作通过催化与物理限域协同优化Li⁺-Solvents的溶剂化结构，实现LiPSs的快速转化，为锂硫电池体系中离子输运与电化学反应的界面调控提供了新范式。

Promoting Li⁺-Solvents Desolvation by Engineering Nickel Single Atoms into Graphene Membrane toward Fast Sulfur Redox Kinetics

Songjie He, Juan Yang, Zhibin Liu, Siyu Liu, Jiayi Yu, Jieshan Qiu

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202424390