来源：科学之邦
开发下一代电化学储能系统的核心在于探索高效、可规模化的固态电解质（SSEs），以替代传统的有机液态电解质。
SSEs不仅能够避免有机电解液的挥发性、渗漏性与可燃性所带来的安全与环境问题，还可作为同时具有高离子电导率和优异机械强度的功能性隔膜，有助于提升储能系统的能量密度与安全性。
在众多固态电解质体系中，硫化物电解质因其代表性的高离子导体，如Li₁₀GeP₂S₁₂（LGPS）和菱方结构Li₅.₅PS₄.₅Cl₁.₅（LPSC1.5），在室温下展现出可媲美甚至超过商业液态电解质（10⁻² S/cm）的超高离子电导率而受到特别关注。
此外，硫化物电解质还具备优异的机械可变形性与界面兼容性，有利于形成致密的电极–电解质界面。凭借超高离子电导率、卓越的界面特性及良好的机械柔性，硫化物SSEs成为构建高能量密度、安全的全固态电池（ASSBs）的重要材料体系，其可与高电压正极形成稳固界面，使其成为实现全固态电池潜力的最有前景选择之一。
然而，Li₂S作为前驱体的高成本（约732 USD/kg）严重阻碍了硫化物SSEs在储能领域的实际部署。
近年来，针对Li₂S的大规模制备开展了大量研究，以促进硫化物SSEs的产业化。目前的合成路线（见补充表）主要分为两类：氧化还原法与复分解法。在固相氧化还原法中，可通过Li₂SO₄与固体还原剂（如碳、Mg或Al）在高温反应直接获得Li₂S。然而，该过程中需加入过量还原剂才能完全还原Li₂SO₄，导致最终产物纯度偏低。尽管可通过采用强还原性的有机锂试剂与S粉末或H₂S气体反应、或使用H₂还原Li₂SO₄来提升产物纯度，但有机锂与氢气均存在昂贵且易燃、易爆的问题，难以实现产业化。
近期，研究者提出利用液相复分解反应合成Li₂S，通过LiY（Y = Cl⁻、Br⁻、I⁻或NO₃⁻）与无水Na₂S在有机溶剂中反应制备Li₂S。
复分解反应通常在液相中进行，通过气体或沉淀副产物的生成推动反应完全进行。例如，LiCl与无水Na₂S常用于乙醇体系中制备Li₂S，由于生成的NaCl在乙醇中溶解度极低，可迅速沉淀并推动反应向生成Li₂S方向前进。
然而，仍有少量NaCl溶解于体系中，导致反应无法完全进行，生成未反应的LiCl与溶解的NaCl杂质。即使加入过量反应物，也可能引入LiOCl或NaHS等新的杂质。至今，液相复分解体系中仍缺乏实现完全反应、获得高纯Li₂S的有效方法。
从热力学角度来看，溶解的NaCl会与未反应的LiCl和Na₂S混合，产生混合吉布斯自由能（ΔG_mix），使得反应在未达到完全转化前便提前达到平衡。
降低副产物浓度可根据勒夏特列原理推动平衡向生成物一侧移动，而若所有副产物能自动从体系中分离，则不会产生ΔG_mix，使复分解反应能完全进行。
然而在液相体系中，无论气体或沉淀副产物均存在一定溶解度，难以避免混合自由能的产生。因此，为实现完全反应、获得高纯Li₂S，需要一个无溶剂体系，并且副产物需以气体形式生成，从而避免气–固混合带来的ΔG_mix问题。
硫脲（(NH₂)₂C=S）是一种环保、低成本且稳定的固体试剂，能够通过复分解反应提供S²⁻，其热分解可产生气态产物，易于从反应体系中移除，从而推动平衡向完全转化方向移动。
为此，黄冈师范学院化学化工学院赵国伟教授团队以及西安交通大学赵洪洋助理教授携手设计了一条无溶剂复分解路线，以硫脲为S²⁻供体，以LiOH为锂源。
根据TG/DTA-FTIR、TG/DTA-MS及DFT计算结果，中间产物H₂NCN与H₂O经水热裂解完全移除，而最终副产物仅为CO₂与NH₃气体，可自动与固态Li₂S分离，实现ΔG_mix≈0，使化学平衡完全向生成Li₂S方向移动。
本方法能够实现高纯Li₂S的规模化制备（最高约100 g/批），且无需额外纯化步骤。使用该Li₂S可成功制备普遍使用的硫化物电解质，如LGPS与LPSC1.5，使材料成本显著下降。采用合成Li₂S制备的LPSC1.5构建的全固态电池，其电化学性能与使用商业Li₂S制备的电池相当。
总体而言，这一无溶剂复分解策略为高纯Li₂S的大规模、绿色制备提供了可行路径，有望大幅降低硫化物固态电解质的成本，从而加速全固态电池的实际应用。
化学化工学院青年教师张怡博士为该论文第一作者，高凌副教授为共同一作，本科生郑浩然参与了研究工作，西安交通大学赵洪洋副教授和我校赵国伟教授为论文共同通讯作者。
赵国伟，男，1986年6月生，博士，黄冈师范学院化学化工学院教授，湖北省欧美同学会理事，黄冈市首批产业发展特聘专员 。2009年本科、2012年硕士毕业于武汉工程大学，2014年获东京工业大学博士学位后师从锂电材料科学家菅野了次教授从事博士后研究，2019年晋升研究员并参与松下电器-东京工业大学共研项目 。2020年回国任现职，主持黄冈师范学院明珠学者研究计划，2021年创建全固态电池关键材料与技术实验室 。
主要研究方向为无机固态离子电解质及全固态电池技术，开发的γ-Li3PO4型固态电解质在Li4GeO4-Li4SiO4-Li3VO4准三元体系中实现高锂离子电导率 。获日本粉体粉末冶金协会论文奖、日本文部科学省国费奖学金 。其团队与湖北宏源药业合作研发硫化锂合成技术，与通用汽车、航天科工集团合作开发新能源电池材料，研究成果在ACS Sustainable Chemistry & Engineering等期刊发表论文50余篇，授权发明专利20余项。2024年参加中央社会主义学院归国留学人员培训
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