北京時間9月6日，廈門大學(xué)廖洪鋼教授、孫世剛院士團隊，與北京化工大學(xué)陳建峰院士團隊和美國阿貢國家實驗室徐桂良、Khalil Amine研究員團隊合作，在國際Ding級期刊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。

該項成果基于自主研發(fā)建立的高時空分辨電化學(xué)原位液相透射電子顯微系統(tǒng)（EC-TEM），對鋰硫電池界面反應(yīng)過程進行了深入研究，shouci發(fā)現(xiàn)了鋰硫電池電荷儲存聚集反應(yīng)新機制。

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：周詩遠、施杰

▲ 重要發(fā)現(xiàn)：鋰硫電池電荷儲存聚集反應(yīng)行為

在“碳達峰，碳中和"目標的推動下，發(fā)展具有高能量密度和儲能效率的二次電池體系已經(jīng)成為當(dāng)前的研究熱點。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)對于電池設(shè)計至關(guān)重要。目前對潛在機制的理解主要依賴于經(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)擴散到表面并吸附發(fā)生電極反應(yīng)進行轉(zhuǎn)化。然而，電極表/界面發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)過程至今尚不明確，就像一個神秘的“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/納米尺度上對鋰硫電池界面反應(yīng)的理解。為此，廈大團隊采用CHIPNOVA（超新芯）透射電鏡液體電化學(xué)原位系統(tǒng)，耦合真實電解液環(huán)境和外加電場，實現(xiàn)了對鋰硫電池界面反應(yīng)原子尺度動態(tài)實時觀測和研究。

在這項工作中，廖洪鋼教授、孫世剛院士團隊發(fā)現(xiàn)在鋰硫電池中存在著dute的界面反應(yīng)機制，即引入金屬納米團簇活性中心的表面誘導(dǎo)多硫化鋰（LiPSs）聚集和電荷儲存，導(dǎo)致從LiPSs富集相瞬時轉(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)過程中 LiPSs逐步轉(zhuǎn)化為Li2S2和Li2S的經(jīng)典途徑。分子動力學(xué)模擬證實了活性中心與LiPSs分子之間的長程靜電作用導(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。

這項成果發(fā)現(xiàn)了鋰硫電池全新的界面反應(yīng)過程。不同于傳統(tǒng)GCS模型所涉及的單個分子的擴散、吸附和轉(zhuǎn)化等過程，鋰硫電池電荷儲存聚集反應(yīng)新機制從原子/分子尺度揭示了金屬活性中心與LiPSs之間的長程相互作用、LiPSs聚集體的形態(tài)、集體電荷儲存和Li2S瞬時結(jié)晶等過程。未來，基于電荷儲存聚集反應(yīng)新機制將從全新角度推進鋰硫電池電極材料和體系的設(shè)計和研發(fā)，促進高比能、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)體系中觀察到。

同期，Nature雜志還以Research Briefing形式對該成果進行了科普性報道。

《自然》雜志副主編Yohan Dall’Agnese評價該工作——這篇論文很引人注目，因為作者揭示了鋰硫電池中一個wanquan意想不到的儲能機制?？紤]到這種類型的電池已經(jīng)被廣泛研究了幾十年，這是一個極為罕見的情況。這些觀察結(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，它們將有助于改進下一代電池。

同行專家對這項工作高度評價——這項工作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)的緩慢動力學(xué)的長期爭論，并證實了電極表面結(jié)構(gòu)對這些過程的影響。 該結(jié)果對于電池和電子顯微鏡研究都具有重要意義。