硫电极具有资源丰富、价格低廉、电化学容量高（~1675mAh/g）等众多优点，在二次电池领域得到了极为广泛的研究和关注。目前的研究集中于将S电极与碱金属或者碱土金属如Li,Na,K,Ca,Mg等组合，构建为M-S二次电池体系。但是，这些M-S二次电池均存在一个重大缺陷，即放电中间产物溶于电解液而导致的“穿梭效应”。该效应的存在会引起活性物质的溶解，降低循环性能；也会因多硫离子的扩散、穿梭，引起电池的“过充”而降低库伦效率；甚至还可能恶化对电极的循环性能。目前，文献主要采用碳包覆、隔膜修饰、开发新型电解液等手段，以抑制多硫离子的穿梭效应。

目前许多的电化学研究开始表明，电极材料的电化学行为，在很大程度上由“电极材料-电荷载流子”的内在化学键（相互作用）所主导。因此，理论上可以设计一种从原理上没有穿梭效应的M-S二次电池，如果反应起始物（S）、反应中间物（MSx）和最终产物（MS）均为沉淀的话。有别于Li,Na,K等离子，S电极其实对于过渡金属（transition metal,TM）如Fe,Co,Cu等具有更高的亲和性，S甚至可以与过渡金属以一定性质的共价键相结合，形成稳定的、难溶的过渡金属硫化物。比如，许多金属硫化物可以以硫矿石的形式（黄铁矿、白铁矿、靛铜矿），稳定地存在于自然界中成百上千年。基于此，过渡金属与S电极匹配的TM-S电池，可能从根本上杜绝穿梭效应的发生。

最近，俄勒冈州立大学的纪秀磊教授课题组，以S/C复合物为正极，Fe金属为负极，Fe2+为载流子，设计了一种新型的Fe-S二次电池。重要的是，由于反应起始物（S）、中间物和最终产物（FeS2,Fe3S4和FeS）均为不溶于水的沉淀，该Fe-S电池从原理上避免了穿梭效应的发生。最终，该硫电极实现了~1050mAh/g的电化学储铁容量，~0.16V的低电化学极化，~100%的库伦效率和~150周的稳定循环。此外，该Fe-S电池还具有电极材料（Fe和S）便宜、水系电解质安全环保等优点。最后，研究者也认为，该工作可以给硫电极的使用带来新的参考和启发，也可以促进其他“过渡金属-硫电池”的研究和发展。该工作以Rechargeable Iron–Sulfur Battery without Polysulfide Shuttling为题，发表于Advanced Energy Materials杂志上，文章第一作者为吴先勇博士。

图1.（a）Fe-S电池的工作原理示意图；（b）硫、硫化铁和硫化锂（钠）在水溶液中的溶解度（以溶解或电离的S原子浓度计算）。

图2.（a）不同载量S/C复合物的热重曲线；（b）不同载量S/C复合物的XRD；（c）S/C-40复合物的TEM；（d）不同载量S/C复合物的储Fe2+的充放电曲线（扣式电池），随着S载量的降低，S的电化学容量越来越高；（e）不同载量S/C复合物的BET；（f）硫载量与电化学储Li+,Fe2+及剩余孔体积的关系（S的储Li+容量与S载量没有明显关系）；（g）Fe-S电池的反应示意图（没有活性物质的溶解）；（h）Li-S电池的反应示意图（LiSx会逐渐溶解于电解液）。

图3.结晶态S电极的非现场XRD分析。（a）充放电曲线；（b）不同充放电状态下的XRD；（c）反应示意图，该Fe-S电池涉及到S↔FeS2↔Fe3S4↔FeS固固转化反应；（d）反应过程中活性物质的体积变化。由于FeSx的密度较大，从初始态S到最终态FeS，仅有~30%的体积膨胀，小于Li-S（~72%）和Na-S（~160%）电池。

图4.硫电极的电化学性能。（a）三电极体系下，S/C工作电极，Fe对电极和Fe-S电池的电位响应；（b）S/C复合物的充放电曲线，仅有~0.16V的电化学极化；（c）三电极体系下，S/C电极储Li,Mg,Fe,Mn,Co,Ni等离子的极化比较；（d）倍率性能；（e）S/C电极储存过渡金属离子的循环对比；（f）Fe-S扣式电池的循环性能，其中容量衰减主要由对电极消耗和电解液恶化引起。

该工作为拓展硫电极的使用、新型水溶液电池的开发，提供了有益参考与借鉴。

Xianyong Wu,Aaron Markir,Yunkai Xu,Edward C Hu,Kevin T Dai,Chong Zhang,Woochul Shin,Daniel P Leonard,Keun‐il Kim,Xiulei Ji*,Rechargeable Iron–Sulfur Battery without Polysulfide Shuttling,Adv.Energy Mater.,2019,DOI:10.1002/aenm.201902422