北京時(shí)間9月6日，廈門(mén)大學(xué)廖洪鋼教授、孫世剛院士團(tuán)隊(duì)，與北京化工大學(xué)陳建峰院士團(tuán)隊(duì)和美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室徐桂良、Khalil Amine研究員團(tuán)隊(duì)合作，在國(guó)際Ding級(jí)期刊Nature雜志上發(fā)表了題為“Visualizing Interfacial Collective Reaction Behaviour of Li-S Batteries"的最新研究成果。

該項(xiàng)成果基于自主研發(fā)建立的高時(shí)空分辨電化學(xué)原位液相透射電子顯微系統(tǒng)（EC-TEM），對(duì)鋰硫電池界面反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行了深入研究，shouci發(fā)現(xiàn)了鋰硫電池電荷儲(chǔ)存聚集反應(yīng)新機(jī)制。

論文通訊作者：廖洪鋼教授、徐桂良研究員、Khalil Amine研究員

第一作者：周詩(shī)遠(yuǎn)、施杰

▲ 重要發(fā)現(xiàn)：鋰硫電池電荷儲(chǔ)存聚集反應(yīng)行為

在“碳達(dá)峰，碳中和"目標(biāo)的推動(dòng)下，發(fā)展具有高能量密度和儲(chǔ)能效率的二次電池體系已經(jīng)成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。在原子/分子層次揭示電極和電解質(zhì)界面的化學(xué)反應(yīng)對(duì)于電池設(shè)計(jì)至關(guān)重要。目前對(duì)潛在機(jī)制的理解主要依賴(lài)于經(jīng)典電化學(xué)理論和固/液界面的Gouy-Chapman-Stern（GCS）雙電層模型。在此模型中，反應(yīng)物質(zhì)擴(kuò)散到表面并吸附發(fā)生電極反應(yīng)進(jìn)行轉(zhuǎn)化。然而，電極表/界面發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程至今尚不明確，就像一個(gè)神秘的“黑匣子"。

鋰硫電池具有jigao的能量密度（2600 Wh kg–1）和更低的成本，然而受限于傳統(tǒng)原位表征工具的時(shí)空分辨率的局限和鋰硫體系的不穩(wěn)定性和環(huán)境敏感性等挑戰(zhàn)，當(dāng)前仍然缺少原子/納米尺度上對(duì)鋰硫電池界面反應(yīng)的理解。為此，廈大團(tuán)隊(duì)采用CHIPNOVA（超新芯）透射電鏡液體電化學(xué)原位系統(tǒng)，耦合真實(shí)電解液環(huán)境和外加電場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋰硫電池界面反應(yīng)原子尺度動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)和研究。

在這項(xiàng)工作中，廖洪鋼教授、孫世剛院士團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)在鋰硫電池中存在著dute的界面反應(yīng)機(jī)制，即引入金屬納米團(tuán)簇活性中心的表面誘導(dǎo)多硫化鋰（LiPSs）聚集和電荷儲(chǔ)存，導(dǎo)致從LiPSs富集相瞬時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榉瞧胶鈶B(tài)的Li2S納米晶。這一發(fā)現(xiàn)不同于傳統(tǒng)的電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中 LiPSs逐步轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)i2S2和Li2S的經(jīng)典途徑。分子動(dòng)力學(xué)模擬證實(shí)了活性中心與LiPSs分子之間的長(zhǎng)程靜電作用導(dǎo)致界面分子聚集體的形成以及電極界面的集體電子轉(zhuǎn)移。

這項(xiàng)成果發(fā)現(xiàn)了鋰硫電池全新的界面反應(yīng)過(guò)程。不同于傳統(tǒng)GCS模型所涉及的單個(gè)分子的擴(kuò)散、吸附和轉(zhuǎn)化等過(guò)程，鋰硫電池電荷儲(chǔ)存聚集反應(yīng)新機(jī)制從原子/分子尺度揭示了金屬活性中心與LiPSs之間的長(zhǎng)程相互作用、LiPSs聚集體的形態(tài)、集體電荷儲(chǔ)存和Li2S瞬時(shí)結(jié)晶等過(guò)程。未來(lái)，基于電荷儲(chǔ)存聚集反應(yīng)新機(jī)制將從全新角度推進(jìn)鋰硫電池電極材料和體系的設(shè)計(jì)和研發(fā)，促進(jìn)高比能、高功率、快充鋰硫電池的發(fā)展。這一在鋰硫電池體系中觀(guān)察到的集體電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)行為最近也在其他電化學(xué)體系中觀(guān)察到。

同期，Nature雜志還以Research Briefing形式對(duì)該成果進(jìn)行了科普性報(bào)道。

《自然》雜志副主編Yohan Dall’Agnese評(píng)價(jià)該工作——這篇論文很引人注目，因?yàn)樽髡呓沂玖虽嚵螂姵刂幸粋€(gè)wanquan意想不到的儲(chǔ)能機(jī)制。考慮到這種類(lèi)型的電池已經(jīng)被廣泛研究了幾十年，這是一個(gè)極為罕見(jiàn)的情況。這些觀(guān)察結(jié)果得益于令人印象深刻的高分辨率原位透射電子顯微鏡的發(fā)展，它們將有助于改進(jìn)下一代電池。

同行專(zhuān)家對(duì)這項(xiàng)工作高度評(píng)價(jià)——這項(xiàng)工作tianbu了如何將高能量、低成本鋰硫電池商業(yè)化的巨大知識(shí)空白。作者的成像結(jié)果解決了關(guān)于多硫化物穿梭效應(yīng)的起源和演化，以及這些電池中界面反應(yīng)的緩慢動(dòng)力學(xué)的長(zhǎng)期爭(zhēng)論，并證實(shí)了電極表面結(jié)構(gòu)對(duì)這些過(guò)程的影響。 該結(jié)果對(duì)于電池和電子顯微鏡研究都具有重要意義。