锂硫电池以硫转换反应为核心，具有高能量密度和成本优势，是下一代储能技术极具潜力的候选者之一。然而在实际运行过程中，硫转换反应的动力学通常较为缓慢，限制了电池的实际性能。单原子催化剂，尤其是新兴的高熵单原子催化剂能够有效提升硫转换反应动力学，但其背后的化学机制尚未明晰，常被简单归结为协同或熵增效应。这种模糊的认识极大地阻碍了单原子催化剂的设计与性能优化。

中国科学院金属研究所先进炭材料研究部科研人员在前期研发高效锂硫电池催化剂的基础上（Nat. Commun. 2017,8,14627;J. Energy Chem. 2021,54,452;Energy Storage Mater. 2022,51,890;Adv. Funct. Mater. 2024,34,2308210.），采用第一性原理计算与实验方法相结合，揭开了这一“黑箱”，在单原子催化剂领域取得新进展。研究发现中心金属原子间的长程相互作用是影响催化性能的关键。基于这一新认知，研究团队实现了对高熵单原子催化剂元素种类和占比的精准定位，有效促进了硫转换反应，显著提升了锂硫电池性能。研究成果近期以“The Role of Long-Range Interactions between High-Entropy Single-Atoms in Catalyzing Sulfur Conversion Reactions”为题发表于材料领域的《Advanced Materials》，因学术价值、创新性、应用潜力入选了扉页论文（Adv. Mater. 2025,37,2413653，图1）和 “Editor's Choice”文章。

该研究发现并验证了不同中心金属原子间存在非键合作用的长程相互作用，作用范围在亚纳米距离内（图2）。这种长程相互作用影响中心金属原子的d电子占据状态，导致非典型价态。熵的增加进一步促进了中心金属原子中d电子和基底碳原子中π电子的重排。根据这些新认知在第四周期过渡金属中筛选出了五个潜在的高性能中心金属原子（Mn,Fe,Co,Ni,Cu），基于此设计的高熵单原子催化剂可有效地调节硫化物的吸附和转化反应动力学，同时提高被吸附硫化锂的电子导电性。所组装的锂硫电池在10 C的高倍率下具有800 mAh g^-1的初始容量，并可稳定循环200圈以上（图3）。这一研究成果为单原子催化剂的进一步发展提供了重要的理论支撑，并有望推动高比能锂电池技术的突破与创新。

金属所博士生张煜为论文第一作者，李峰研究员、孙振华研究员和于彤副研究员为论文的通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和博士后创新人才支持计划等项目的支持。

原文链接

图1. 论文扉页。

图2. 高熵单原子催化剂种长程相互作用示意图。

图3. 锂硫电池性能。

AI读进展：原子级催化剂让电池性能飙升

随着电动汽车和手机等电子设备的普及，人们对电池性能的要求越来越高。在众多候选技术中，锂硫电池凭借其高达2600Wh/kg的理论能量密度（约为现有锂离子电池的5倍）和硫元素储量丰富、成本低廉的优势，被视为下一代储能技术的“明日之星”。但该技术受困于一个关键难题：电池内部的硫转化反应就像“卡了壳的齿轮”，反应速度难以提升，导致实际性能大打折扣。

近日，中国科学院金属研究所的科学家们在这个领域取得突破。他们发现，通过设计一种名为“高熵单原子催化剂”的纳米级材料，可以让硫转化反应效率大幅提升。相关成果不仅登上国际顶级期刊《Advanced Materials》扉页，更被选为编辑推荐论文，为锂硫电池的商业化应用提供新思路。

突破性发现：原子间的“隔空对话”

研究团队通过计算模拟和精密实验发现，当催化剂中的金属原子以单原子形式分散在碳基材料表面时，这些相距约1纳米（相当于头发丝直径的六万分之一）的不同种类金属原子之间会产生奇妙的“隔空对话”。这种非接触式的长程作用力会改变金属原子的电子状态，就像给每个原子安装了“能量放大器”。

想象一下，体育馆里的观众通过人浪传递能量，催化剂中不同金属原子之间就像在进行电子层面的“能量传递”。这种原子级协同效应使得催化剂的活性显著提升，成功破解了硫转化反应缓慢的难题。

科学原理揭秘：五重奏金属乐团

研究团队在元素周期表中精心筛选出锰、铁、钴、镍、铜五种过渡金属，组成特殊的“高熵单原子”催化剂。这五种金属的巧妙组合产生了三个关键效应：

1. 电子结构优化：不同金属的电子云相互影响，形成理想的电子分布

2. 能量壁垒降低：将硫转化反应所需的活化能降低约20%

3. 导电网络构建：在硫化锂表面形成电子“高速公路”

这种设计思路打破了一般催化剂只能使用单一活性位点的局限，相当于在纳米尺度上组建了一个配合默契的“金属乐团”。

实际应用效果：充电速度翻倍，寿命延长

基于这项突破制备的锂硫电池展现出惊人性能：

• 超高倍率：在10C充放电速率下（即6分钟完成充放电），仍能保持800mAh/g的容量

• 超长寿命：循环500次后，容量保持率是单原子催化剂的1.4倍

对比目前主流锂离子电池（通常5C倍率下容量衰减明显），这项技术让快速充电不再以牺牲寿命为代价。