碳硫复合材料中非晶态硫的局部结构解析及其在全固态锂硫电池中的高性能机制

研究人员针对全固态锂硫电池(ASS Li-S)中硫导电性差的问题，通过熔融扩散法制备碳硫复合材料，结合SAXS和PDF分析揭示其非晶态S8环状结构，实现1625 mAh g-1的比容量（达理论值97%）。该研究为优化电极材料设计提供了关键结构信息，推动高安全性、无稀有金属电池发展。

　　

随着全球碳中和目标的推进，全固态电池(ASS)因其高安全性和能量密度成为研究热点。其中，锂硫电池(Li-S)凭借1672 mAh g^-1的理论比容量和无需稀有金属的优势备受关注。然而，硫的绝缘特性导致电子传导困难，传统液态电解质还存在多硫化物溶解引发的“穿梭效应”。日本Shimane大学等机构的研究团队通过创新材料表征手段，揭示了碳硫复合材料中硫的原子级结构奥秘，相关成果发表于《Communications Chemistry》。

研究采用熔融扩散法制备碳硫复合材料，结合同步辐射X射线散射(SAXS)和热重-差热分析(TG-DTA)确认硫的分布状态，通过原子对分布函数(PDF)解析非晶态硫的局部结构，并组装全固态电池测试电化学性能。

硫在碳孔隙中的分布特征
SAXS定量分析显示，经熔融扩散处理的CS_Heat样品孔隙散射强度降至4.2%（原始碳材料为74.3%），证实硫成功渗入碳孔隙。SEM-EDS图谱显示硫均匀分布，TG-DTA曲线中硫的特征相变峰消失，说明其以非晶态稳定存在于碳基体中。

非晶硫的原子级结构
PDF分析发现CS_Heat在2.1?、3.4?和4.5?处存在与晶态硫相同的峰位，对应S₈环状分子的键长特征，但长程有序峰（>5.0?）消失。通过高斯方法计算验证，排除开环或链状结构可能性，确认碳孔隙中硫主要以扭曲S₈环状分子存在。

电池性能与机制
组装的ASS Li-S电池首次放电比容量达1625 mAh g^-1（按硫质量计），接近理论值的97%。优异的性能归因于：1）熔融扩散形成的碳硫紧密界面扩大反应接触面积；2）硫基固态电解质构建高效离子传输通道。但倍率性能测试显示，2C下容量骤降至119 mAh g^-1，反映电荷转移阻抗仍需优化。

该研究首次通过PDF技术直接解析碳硫复合材料中非晶硫的S₈主导结构，为理论计算提供关键实验依据。提出的SAXS定量评估法克服传统BET测试的局限性，建立材料孔隙填充的质量控制标准。研究成果不仅推动高能量密度ASS Li-S电池的实用化进程，其分析方法还可拓展至其他非晶电极材料研究，如硅基负极或硫化物固态电解质体系。未来通过调控碳孔隙尺寸和硫负载量，有望进一步优化反应动力学，实现兼具高容量与快充性能的下一代电池设计。