化石燃料储量的急剧下降加速了向可再生能源转型的迫切需求。在这场从化石燃料向可再生能源的全球快速转型中，各类可再生能源的开发如火如荼。在风能、潮汐能和太阳能等众多可选方案中，太阳能的潜在供应量远超人类需求。当前全球能源需求为15太瓦（TWs），而仅太阳辐射形式的太阳能即可提供超过50太瓦的能量[1]。然而，太阳辐射本质上是间歇性的，因为阳光仅在白天部分时间照射，且其功率密度随纬度变化。这种不均匀分布促使人们开发替代资源。此外，将光能转化为电能的光伏（PV）器件直到最近才实现25.6%的能量转换效率[2]，这推动了对更可持续、更高效率的能量存储与转换技术的进一步研究。 锂离子电池（LIBs）[3,4,5,6]长期以来一直是储能技术的基石，为从便携式电子设备到电动汽车（EVs）的各种应用提供动力，最重要的是通过提供可靠高效的能量转换与存储，解决可再生能源的波动性问题。其高能量密度、长循环寿命和经过验证的性能，使其成为电网存储和便携式电子产品中不可或缺的组成部分。然而，随着对更高能量密度需求的日益增长及对电动汽车续航里程的担忧[7]，加之对资源可获得性、成本和安全性的考量，凸显了对替代电池技术的迫切需求。这促使学界对锂硫（Li-S）电池产生极大兴趣——其理论容量与能量密度均优于锂离子体系，使其成为下一代储能技术的有力候选者。 锂硫电池因其约1,675 mAh·g⁻¹的理论容量（约为锂离子电池的3至4倍），已成为开发高能量密度存储系统种族中的领跑者。‒1）与能量密度（2,600 瓦时·千克‒1相较于传统锂离子电池（LIBs），该技术[8]代表了一项显著进步。硫元素的储量丰富且成本低廉，进一步增强了锂硫电池的吸引力，这与实现经济高效、可持续能源存储的总体目标相契合。尽管潜力巨大，锂硫电池的商业化进程仍面临若干关键挑战的阻碍，包括多硫化物穿梭效应、容量快速衰减以及循环寿命有限等问题。解决这些难题已成为研究人员的关注焦点，推动了电极材料、电解质设计和电池结构配置等领域的创新突破。 硫作为地球上储量最丰富的生物活性元素之一，被认为是环境中硫生物地球化学循环的活性中间体，在所有生命体的生化循环中起着决定性作用[9, 10]。值得注意的是，元素硫在元素周期表中具有最多的同素异形体，能根据压力和温度条件形成不同物相，这拓宽了其在各类电化学反应中的适用性[11]。硫凭借其低分子量和双电子反应路径，展现出高达1,672 mAh·g的放电容量‒1在所有固态正极材料中表现尤为突出[12]。硫还具有储量丰富、成本低廉和环境友好的优势。当与锂金属负极——其提供最高理论容量之一（3860 mAh·g‒1）和最低电化学电位（−3.04 V相对于标准氢电极）——配对时，该体系可提供2.15 V的平均工作电压和2550 Wh·kg‒1的高比能量，显著优于传统锂离子电池[13]。 与传统基于嵌入反应的锂离子电池不同，锂硫电池通过涉及多硫化锂（Li2Sx，x ≤ 8）生成与溶解的多步转化反应机制工作。该机制虽能提供高容量，但也带来若干挑战，包括硫和Li2S的低电导率问题。2这一机制虽能实现高容量，但同时也引发出若干技术难题，其中最主要的是单质硫及其放电终产物Li2S的固有低导电性。n, 3 ≤ 硫在循环过程中存在巨大的体积膨胀和较差的反应可逆性。尽管已有若干开创性研究被报道，但Nazar课题组[14]关于使用CMK-3介孔通道显著提升放电容量的工作尤为值得关注。此后，大量研究论文相继发表，报道了在放电容量和循环稳定性方面的显著改进[15, 16, 17, 18, 19]。然而，由多硫化锂（LiPS）中间体的溶解和迁移引起的多硫化物穿梭效应[20]，仍然是导致长期循环稳定性差的主要原因，且尚未被完全理解。另一方面，随着最先进的表征和实验技术的发展，锂金属已成为电池领域的"圣杯"，正重新获得广泛关注，与此同时研究人员正在付出巨大努力以克服现有障碍[21]。总体策略可分为理解人工固体电解质界面相（SEI）、掌握电解质设计方法，以及设计纳米结构正负极以提高整体库仑效率（CE）来抑制枝晶生长。对于锂硫电池而言，从实验室到实际应用的转化是另一项挑战——尤其是实验室条件下coin cells实现的循环稳定性与商用设备中pouch cells的性能存在显著差距。这些关键性差异可能导致高能量密度锂硫电池的研发方向出现偏差。因此，投入大量精力揭示深层机理并制定战略发展路线至关重要。 ≤ 8). This mechanism offers high capacity but also introduces several challenges, including low conductivity of sulfur and Li2S, large volumetric expansion during cycling, and poor reversibility. Though several seminal works have been reported, the work by Nazar’s group [14] on the usage of CMK-3 mesoporous channel significantly enhancing the discharge capacity is particularly noteworthy. Since then, a flurry of research papers has been published reporting significant improvements in discharge capacity and cyclic stability [15, 16, 17, 18, 19]. However, the polysulfide shuttle effect [20], originating from the dissolution and migration of lithium polysulfide (LiPS) intermediates, remains a major cause of poor long term cycle stability, and is not yet fully understood. On the other hand, with the state-of-the-art characterization and experimental techniques, lithium metal has become the “holy grail” in batteries, and has been gaining a resurgence of attention, while enormous efforts are being undertaken to surmount the existing hurdles [21]. The overall strategies could be divided into understanding artificial solid-electrolyte interphase (SEI), mastering electrolyte design, and designing nanostructured cathodes and anodes to increase the overall Coulombic efficiency (CE) to curb dendrite growth. The transition from lab to field is another challenge for Li-S; in particular, a significant gap exists between the cyclic stability achieved in lab-based coin cells and the pouch cells used in commercial devices. Sometimes, these significant gaps may mislead the developmental direction of high energy density Li-S batteries. Therefore, it is crucial to devote significant efforts to revealing in-depth mechanisms and strategic development. 本综述旨在全面概述锂硫电池技术的最新进展，重点聚焦新型材料策略、电解质工程以及抑制降解机制（Scheme 1）的创新方法。通过系统梳理这些发展，本文试图阐明实现商业化可行锂硫电池的技术路径，从而为推动可持续储能解决方案的发展作出贡献。
尽管关于锂硫电池在正极、负极和电解质选择方面的具体挑战将在后文进行更深入的探讨，本节首先对关键问题作一概览，为后续的详细分析奠定基础。 锂硫电池因其高理论能量密度和成本效益而备受关注。然而在实际应用推广前，仍需攻克若干关键挑战：包括导致容量快速衰减的多硫化物穿梭效应、阴极导电性差及硫溶解等问题。此外，由多硫化物溶解和非保护性SEI膜形成所触发的锂金属阳极不稳定性，会严重影响锂硫电池的长期循环稳定性。 锂硫电池面临的主要障碍之一是多硫化物穿梭效应，即硫正极产生的可溶性多硫化锂（LiPSs）溶解于电解液并向锂负极迁移。到达负极后，这些物质发生还原反应，导致绝缘层形成和枝晶生长。这不仅会缩短循环寿命，还会降低电池效率。锂金属负极的不稳定性仍然是重大挑战，因为锂金属易形成枝晶，可能刺穿隔膜造成短路，进一步危害电池安全性和性能。此外，锂金属与可溶性多硫化锂的相互作用引发的腐蚀现象会加速电池退化，限制其使用寿命。 另一个挑战是硫正极的降解，这主要源于硫的导电性差以及在循环过程中易溶解于电解质的特性。这种溶解现象导致活性材料流失，并随时间推移造成有效容量下降。与电解质相关的挑战同样至关重要，因为多硫化锂（LiPSs）在常规电解质中的溶解性使得维持高效率和稳定性变得极为困难。尽管电解质配方取得进展，但在多硫化物稳定性和电化学性能之间实现最佳平衡仍然是一个重大障碍。 此外，虽然单原子催化剂（SACs）和金属硫化物在提升锂硫电池催化效率方面展现出潜力，但其可扩展性和成本效益仍存在显著障碍。复杂的合成方法与某些金属的高成本制约了这些先进催化剂的大规模生产。最终，尽管阴极设计、电解质体系以及催化材料集成方面有所改进，长期稳定性与循环寿命仍是主要挑战。副产物的形成以及硫还原反应缓慢的动力学特性，导致电池在长期循环过程中出现性能退化与容量衰减。 总之，尽管锂硫电池展现出巨大潜力，但解决多硫化物迁移、负极退化、催化剂可扩展性及长期稳定性等挑战对其商业化至关重要。持续推动催化剂设计、电解质优化及整体电池架构的进步，是将锂硫技术从实验室研究推向商业应用的关键。
