综述：新兴铝硫电池材料的进展、挑战与前景

本综述系统评述了铝硫（Al-S）电池最新研究进展，重点探讨了通过宿主结构设计（如2D/3D多孔框架、MXene基多层材料）、电催化剂（如Mo6S8、CoS2）和电解质优化（离子液体、熔融盐）策略解决Al3+动力学迟滞、多硫化物穿梭和电极体积变化等关键问题，为开发高能量密度、长循环寿命的下一代储能系统提供理论指导。

　　

铝硫电池的核心挑战与创新机遇

铝硫电池凭借铝的高理论容量（2980 mAh g^-1）、地壳丰度（8.3 wt%）和本征安全性，成为后锂时代储能体系的有力候选者。其理论能量密度高达1310 Wh kg^-1，但实际应用受限于三价铝离子（Al³⁺）的缓慢扩散动力学、多硫化铝（AlPSs）的溶解穿梭效应以及充放电过程中电极体积膨胀等核心问题。近年来，通过宿主材料结构工程、新型电催化剂设计和电解质优化等策略，体系性能显著提升。

宿主材料的结构创新

多层宿主框架

Ti₃C₂T_x MXene构建的夹层结构阴极通过表面官能团实现对多硫化物的强锚定（DFT计算结合能达-4.51 eV），同时提供2954 S cm^-1的高电导率。Zheng等人开发的S@Ti₃C₂T_x无粘结剂电极在280次循环后仍保持415 mAh g^-1容量，库伦效率达95%。

二维/三维架构突破

硼氮化物（BN）作为硫固定剂可提供532 mAh g^-1的比容量和94.3%的库伦效率。石墨烯-多壁碳纳米管复合框架通过扩大层间距（~0.34 nm）显著提升Al³⁺传输效率，使容量提升至507 mAh g^-1。β-锗烯等二维Xene材料凭借对AlPSs的强吸附性（-1.66至-2.74 eV）和低能垒（0.23 eV）特性，实现39.93 wt%的高硫负载。

嵌入式与纤维化设计

硒硫复合阴极（Se_2.9S_5.1@MCNF）通过增强Al-S键合作用使容量达606 mAh g^-1，并在3000次循环后保持187 mAh g^-1。钴钼碳化物（Co/Mo₂C@NCNHP）双金属催化剂中，Co锚定AlPSs而Mo₂C催化其还原，实现1016 mAh g^-1的高初始容量。

电解质的协同优化

熔融盐电解质

AlCl₃-NaCl-LiCl-KCl四元体系将操作温度降至85°C，通过形成[Al_nCl_3n+1]^-长链簇降低Al³⁺解离能（63-109 kJ/mol），使电池在1400次循环后保持85.4%容量。Pang团队开发的NaCl-KCl-AlCl₃体系交换电流密度提升10倍，极化降低至50 mV，实现1350 mAh g^-1容量和500次循环稳定性。

离子液体创新

Li⁺介导的咪唑类离子液体通过溶解再生活性多硫化物，使初始容量接近1000 mAh g^-1。有机溶剂掺杂策略（如二氯甲烷体积比20%）将离子电导率提升至20.4 mS cm^-1，粘度降低60%。反向氧化路径利用AlCl₄^-氧化硫生成共价复合物AlSCl₇，工作电压提升至1.8 V。

固态电解质突破

MOF浸渍凝胶电解质（IL@MOF）与钴氮掺杂石墨烯（CoNG）组合实现288 mAh g^-1的 pouch电池容量和81.6%的400循环保持率。NaCl添加剂形成NaxAlyO₂富集SEI层，有效抑制多硫化物穿梭，使容量提升至496 mAh g^-1。

电催化机制的深度解析

单原子催化剂（如PtNG、Y@Ti₃C₂O₂）通过近乎100%的原子利用率显著降低硫还原能垒（0.23 eV）。缺陷尖晶石AlMo₄S₈嵌入碳纳米管形成双功能催化剂，实现304.3 mAh g^-1的可逆容量。催化机制分为三类：氧化还原介导（CoS₂、MoS₂参与电子转移）、表面吸附锚定（MnO₂、TiO₂提供极性位点）和路易斯酸-碱催化（氧化物表面碱性位点协调AlCl₃）。

未来展望与产业化路径

人工智能辅助材料筛选、数字孪生技术实时监控将成为加速研发的关键工具。多功能电极、无粘结剂架构和3D打印阴极有望推动面容量提升至4-6 mAh cm^-2。Avanti Battery Company等初创企业正致力于商业化推广，但需解决固态电解质规模化制备、催化剂成本控制及与锂离子电池能量密度差距等核心问题。通过自修复宿主、嵌入式氧化还原介体和新型结构设计，铝硫电池有望在固定储能和可穿戴设备领域实现应用突破。