近日，材料科学与工程学院胡方圆教授提出了"智能共生"锂硫电池构筑新策略，将“交变磁场”与锂硫电池结合，从量子层面调控离子/电子传输路径与界面反应位点的自旋电子态，突破了外部超低温环境下多硫化物转化动力学停滞的瓶颈，拓宽了锂硫电池实际可运行温度范围（–120 °C至60 °C）。相关研究成果以“极低温环境下的智能共生锂硫电池”（Smart symbiotic lithium-sulfur batteries under extremely low-temperature conditions）为题，发表于国际顶级综合科学期刊《国家科学评论》，简称NSR（National Science Review）。

极端环境探索（高空平流层–90至60°C、低空领域–30至40°C、极地–95至32°C），使对宽温域高比能电源需求愈加迫切。锂硫电池理论能量密度高，现有材料创制策略（正极吸附/催化位点、隔膜改性、电解液设计）在0至–60°C温度范围内取得进展，但低于–60°C因转化动力学停滞导致电池失效。已知的电池加热方法也存在热损耗、短路风险及无法贡献额外容量等局限。本研究基于此开发“智能共生”电池：微型传感器测温，芯片根据信号调控磁场。所设计的磁响应正极材料替换传统硫载体，在交变磁场下于电极/电解液界面处反应位点产生多物理场协同，突破低温转化壁垒，使软包电池适配（–120 °C~60 °C）全天候场景应用。

图一：“智能共生”电池的理论示意图与优势

本研究基于高性能磁响应正极材料（材料详细性能及表征见原文）制备了多枚“智能共生”锂硫软包电池，通过内嵌光纤应力传感器以验证磁场对于多硫化物转化动力学的促进。结果显示，多物理场协同（MFSN）使低温放电曲线呈海浪波动，Li₂S沉积速率与动力学提升。不同放电阶段的冷冻电镜测试证实MFSN促使Li₂S丰富均匀多向生长。

图二：组装成的“智能共生”软包电池中硫化锂（Li₂S）的生长行为

磁场诱导磁性纳米粒子电子的自旋极化，增强了Fe-3d与O-2p轨道之间的杂化，同时引发塞曼能级分裂，形成极化子缺陷态，从而降低了界面电荷转移能垒及锂离子扩散势垒，促进转化反应动力学。拉曼光谱与同步辐射实验进一步证实，在磁场作用下，Li₂S与Li₂S₂的生成速率加快，有效抑制穿梭效应，延长锂硫电池服役寿命。

图三：磁场影响下磁性纳米颗粒的自旋极化对多硫化物转化及离子传输性能的影响

“智能共生”锂硫软包电池在–20°C至–120°C外部环境下，展现出优异电化学性能。–20°C下实现软包电池长达2800小时的稳定循环。在–80°C时，其能量密度仍可达到454.5 Wh·kg^–1（考虑能耗：219.1 Wh kg^–1）。同时，在不同低温环境下，磁场对动力学的改善（收集系数）具有高度可逆性与稳定性。软包电池性能通过第三方测试（轻工业化学电源研究所）并出具报告。

图四：多物理场协同下软包电池电化学性能及磁化行为分析

该研究得到了教育部中央高校青年教师科研创新能力支持项目（ZYGXQNJSKYCXNLZCXM‑M4）、国家自然科学基金优秀青年科学基金项目（52222314，结题优秀）、临近空间技术与产业引导基金重点项目（LKJJ-2023010-01）等项目支持。我校材料科学与工程学院博士研究生毛润钥为该论文第一作者，材料科学与工程学院胡方圆教授为该论文通讯作者。近年来，该课题组在固态电池、锂/钠电池、超级电容器领域发表系列具有影响力的工作：通过对锂硫电池正极材料与电池结构设计，在多硫化物转化界面处产生多物理场耦合效应，从而加速多硫化物动力学过程(Natl. Sci. Rev., 2026, nwag217；Nat. Commun., 2025, 16, 7860；Adv.Mater.,2025, 2503482；Angew. Chem. Int. Ed.,2025, 64, e202505095)。通过开发固态电解质，并优化电极/电解质界面性质，实现新型高性能固态电池构筑（J. Am. Chem.Soc.,2025, 147, 33518；Adv. Mater., 2025, e16680；Energy Environ.Sci., 2024, 17, 7035；Angew. Chem. Int. Ed., 2024, 202418959；Angew. Chem. Int. Ed., 2025, 202506731）通过优化双电层结构，开发新型高性能电极材料，进而构筑高性能离子型超级电容器（Adv. Mater.,2026, 38, e21465；Adv. Mater., 2025, 2507061；Adv. Energy Mater., 2023, 13, 2300068；Adv. Funct. Mater., 2026, 36, e25494.）。

原文链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwag217