锂硫电池具有高能量密度（2600 Wh kg^-1）和高理论比容量（1675 mAh g^-1），被认为是最有前景的下一代储能系统之一。然而，多硫化物（LiPSs）在正极和负极之间的扩散会带来难以解决的穿梭效应问题，导致硫利用率低、锂金属负极发生腐蚀，这是电池容量快速衰减最主要的原因。近年来，人们开发并优化了不同结构和功能的催化剂材料用于锂硫电池中，以增强多硫化物吸附能力，抑制穿梭效应。然而，根据Sabatier原理，催化剂上的吸附不能太强也不能太弱，吸附太弱无法阻止LiPSs 扩散到锂金属负极，导致容量快速衰减，尤其是在硫含量较高的情况下。吸附太强会抑制绝缘产物Li₂S₂/Li₂S的解吸，从而导致催化活性位点的覆盖和催化剂失活。已有报道证实催化活性与LiPSs 吸附之间呈火山状关系，LiPSs吸附能力与催化转化反应速率之间存在着平衡。

本工作制备了一种新型Ni、Co双掺杂MoO_x（简称为 NiCo-MoO_x）纳米团簇催化剂，该催化剂由均匀分散在多层还原氧化石墨烯上的Anderson型多金属盐酸盐前驱体衍生而来。所制备的NiCo-MoO_x/rGO催化剂材料中存在着掺杂Ni和掺杂Co的MoO_x纳米团簇，形成了吸附和催化双位点，可以打破多硫化物吸附和催化之间的平衡。当NiCo-MoO_x/rGO催化剂用于锂硫电池聚丙烯隔膜（PP）改性时，可降低硫氧化还原反应的活化能垒。使用NiCo-MoO_x/rGO@PP改性隔膜的锂硫电池实现了长期循环稳定性（在1C条件下循环600次后显示出700 mAh g^-1的可逆容量，平均每次循环的容量衰减率为 0.064%）、高倍率性能（在4C条件下循环200次后的比容量超过642 mAh g^-1）和高硫载量性能（当硫含量为4.0 mg cm^-2、E/S比为6.0 μL mg^-1时，0.2C下循环200次后的比容量为830 mAh g^-1，平均每次循环的容量衰减为0.049%），更重要的是，该电池在宽工作温度下表现出良好的循环性能，在-20 °C、0 °C和60 °C条件下循环100次后，可逆比容量分别为518、715和915 mAh g^-1。

图 1. (a) X-MoO_x/rGO（X = Ni、Co或NiCo）的合成过程示意图；NiCo-MoO_x/rGO的(b) SEM 图，（(c)、(d)）TEM图，(e）HRTEM图，（f）SAED图，(g) STEM图像和相应的EDS图谱；(h)-(j) NiCo-MoO_x/rGO@PP改性隔膜的截面SEM图像和光学照片（插图）；(k) NiCo-MoO_x/rGO@PP 改性隔膜的弯曲折叠测试。

图 2. (a) Li₂S₆、rGO-Li₂S₆和NiCo-MoO_x/rGO-Li₂S₆的UV-vis曲线和光学照片（插图）；(b) 使用NiCo-MoO_x/rGO@PP隔膜的锂硫电池的GITT曲线；使用PP、rGO@PP 和 NiCo-MoO_x/rGO@PP隔膜的Li₂S₆对称电池(c)在5 mV s^-1扫描速率下的CV曲线和(d) EIS 曲线；(e) 使用NiCo-MoO_x/rGO@PP的全电池在0.1~0.5 mV s^-1扫描速率下的CV曲线；(f) CV氧化还原峰斜率与扫描速率平方根的关系图；(g）0.2 mV s^-1扫描速率下的CV曲线；(h)、(i) 使用rGO@PP 和 NiCo-MoO_x/rGO@PP隔膜的锂硫电池的Tafel斜率。

图 3.（(a)-(c)）不同电极上的Li₂S沉积曲线；NiCo-MoO_x/rGO@PP和rGO@PP隔膜在吸附Li₂S₆后的（d）S 2p以及NiCo-MoO_x/rGO@PP隔膜在吸附Li₂S₆前后的Ni 2p_2/3 (e)、Co 2p_2/3 (f)、Mo 3d (g)、O 1s (h) 和 N 1s (i) 的高分辨率 XPS 光谱。

图 4.（a）使用五种不同隔膜的电池在2 C下的充放电曲线；使用NiCo-MoO_x/rGO@PP 隔膜的电池（b）在不同倍率下的充放电曲线和（c）倍率性能；（(d)，(e)）使用不同隔膜的电池在1 C、硫载量为2.0 mg cm^-2时的循环性能；使用NiCo-MoO_x/rGO@PP隔膜的电池(f)在2、3和4 C下的循环性能和(g)在0.2C、硫载量为 4.0 mg cm^-2时的循环性能。

图 5.使用NiCo-MoO_x/rGO@PP隔膜的电池在不同温度和不同电流密度（−20 ℃ (0.5 C)、0 ℃ (1 C) 和 60 ℃ (0.5 C)）下的((a)、(d)、(g))充放电曲线和((b)、(e)、(h))循环性能；((c)、(f)、(i)) 使用 NiCo-MoO_x/rGO@PP隔膜的电池在−20、0 和 60 ℃下的倍率性能。

吴飞翔：中南大学教授/博士生导师，升华学者（青年拔尖岗），冶金+前沿科学中心副主任，增值冶金湖南省重点实验室副主任。国家海外高层次人才(2019年初入选)，德国洪堡学者，湖南省杰青，湖南省科技创新领军人才，材料领域顶尖期刊Materials Today副主编，全球前2%顶尖科学家榜单入选者（2023年），2022 Energy and Fuels Rising Stars，小米青年学者。中南大学冶金工程学士，中南大学和美国佐治亚理工学院Georgia Institute of Technology联合培养博士。佐治亚理工学院Gleb Yushin教授组博士后研究员，德国马普固体研究所(Max Planck Institute for Solid State Research) Joachim Maier教授和中科大余彦教授组研究员。长期开展材料化冶金、新型二次电池关键材料设计与材料界面科学研究，以第一作者/通讯作者在Nature Communications（2），Advanced Materials（7），AngewandteChemie Nano Letters, Energy & Environmental Science（2）等国际顶级期刊上发表学术论文近七十篇（2019-2024），申请发明专利21项（授权中国发明专利7项、美国发明专利1项和德国发明专利1项），主持国家和省级研发课题、基金项目共计十余项。

(https://faculty.csu.edu.cn/wufeixiang)

陈亚：中南大学副教授/硕士生导师，主要从事储能材料、电池电化学及湿法冶金方面的研究，涉及可充电电池（锂离子电池、锌离子电池）及超级电容器电极材料开发、镍钴锰资源的增值冶金及回收利用、锂资源的高效清洁利用、金属电化学提取与节能技术。主持及参与国家自然科学基金3项，其他国家及省部级项目10余项，获授权发明专利30余项，在Journal of Power Sources、Electrochimica Acta、Electrochemistry Communications 等期刊上发表学术论文50余篇。

(https://faculty.csu.edu.cn/chenya)

陈杰双阳（第一作者，共一），工学硕士，2024年6月毕业于中南大学冶金与环境学院冶金工程专业（吴飞翔教授、陈亚副教授联合培养），2024年9月于中南大学冶金与环境学院继续攻读博士研究生（导师吴飞翔教授），主要研究方向为锂硫电池关键材料设计/实用化。

Chen J, Lei J, Zhou J, et al. Polysulfides adsorption and catalysis dual-sites on metal-doped molybdenum oxide nanoclusters for Li-S batteries with wide operating temperature. Nano Research, 2024, https://doi.org/10.1007/s12274-024-6879-8.