前言鋰-硫 (Li-S) 電池是一種以金屬鋰 (Li) 為負極、硫 (S) 為正極的二次電池。與傳統(tǒng)的鋰離子電池相比，Li-S 電池具有更高的理論能量密度，因此被認為是下一代高能量儲能系統(tǒng)的候選技術(shù)之一。盡管 Li-S 電池具有高能量密度的潛力，但仍面臨著一些挑戰(zhàn)，例如多硫化物的“穿梭效應”：在充放電過程中，硫會轉(zhuǎn)化為可溶性多硫化物，在電解液中遷移到負極并與鋰反應，從而影響循環(huán)壽命。硫在自然界中有兩種主要同位素，即硫-32 和硫-34。這兩種同位素在化學性質(zhì)上非常相似，但由于質(zhì)量不同，它們在某些物理和化學過程中的行為可能會有所不同，這種現(xiàn)象稱為“同位素效應”。

本研究基于鋰-硫電池進行了模型研究，以揭示兩種硫同位素在電化學性質(zhì)上的變化。在具有相同的八原子環(huán)結(jié)構(gòu)的情況下，環(huán)狀34S8 分子形成的 S-S 鍵強于環(huán)狀32S8 中的 S-S 鍵，并且更傾向于與鋰反應。由 Li-34S 轉(zhuǎn)換反應生成的可溶性鋰多硫化物顯示出比基于 Li-32S 的生成物更強的陽離子-溶劑相互作用，以及較弱的陽離子-陰離子相互作用，這有助于多硫化物快速溶解，但阻礙了它們從陰極遷移到陽極。因此，Li-34S 電池在固液界面顯示出改善的陰極反應動力學，并抑制了多硫化物通過電解液的穿梭，與Li-32S 電池相比具有更出色的循環(huán)性能。本文基于同位素硫基多硫化物的不同穿梭動力學，提出了一種 34S/32S 同位素的電化學分離方法。該方法與傳統(tǒng)的化學交換或蒸餾分離方法相比，可實現(xiàn)更高的分離因子，并為重硫?qū)僭赝凰氐牡统杀局圃?、利用和研究帶來了機遇。實驗采用 Agilent 8900 ICP-MS/MS 作為 S-34 和 S-32 的表征工具。傳統(tǒng)單四極桿 ICP-MS 在測定 S 元素時，存在靈敏度低以及O-O、N-O 等多原子離子分別干擾 S-34 和 S-32 的問題；而 8900ICP-MS/MS 利用串聯(lián)四極桿的優(yōu)勢，可以有效消除所有多原子離子帶來的干擾問題，實現(xiàn)對 ppb 級及更低含量 S-34 和 S-32 的測定。

鋰-硫電池中硫同位素的電化學差異分析采用 Agilent 8900 ICP-MS/MS，

其運行參數(shù)列于表 1 中

以等量 34S/32S 的初始正極作為模型體系，具體考察了 Li-S 電池中 32S 和 34S 的穿梭效應差異。在電池循環(huán)后，對負極側(cè)和電解質(zhì)中兩種 S 同位素的含量進行比較。ICP-MS/MS 分析結(jié)果見表2。表中所列的數(shù)據(jù)顯示，循環(huán)后負極和電解質(zhì)中 32S 的含量高于 34S，32S/34S 比值在 1.5–2.0 范圍內(nèi)，表明 34S 正極可有效減緩多硫化物的穿梭。

本研究通過揭示鋰-硫電池中的同位素效應，重新審視了同位素對電化學體系中熱力學和動力學行為的影響。34S 相較于 32S 能有效減緩多硫化物的穿梭，同時改善反應動力學，實現(xiàn)更穩(wěn)定的Li-S 電化學過程。基于這種電化學同位素效應，可以實現(xiàn)高效的硫同位素分離，分離比遠高于傳統(tǒng)的同位素分離方法。該方法還有望拓展到其他電化學體系中涉及的元素（例如，硫族元素 Se和 Te 以及鹵素等）的同位素分離；有助于激發(fā)同位素電化學這一新的跨學科領域，不僅為現(xiàn)有的電化學體系帶來新的啟發(fā)，而且促進同位素相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。