中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展之發(fā)現(xiàn)鋰硫電池界面電荷存儲(chǔ)聚集反應(yīng)新機(jī)制

2月29日，國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)發(fā)布了2023年度第19屆“中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展”的成果名單，在能源電池方向“發(fā)現(xiàn)鋰硫電池界面電荷存儲(chǔ)聚集反應(yīng)新機(jī)制”入選。

同行專家曾對(duì)這項(xiàng)成果做出過高度評(píng)價(jià)：其填補(bǔ)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。

成果介紹：

鋰硫電池具有極高的能量密度（理論值：2600 Wh kg-1）和較低的成本，然而受限于傳統(tǒng)原位表征工具的時(shí)空分辨率及鋰硫體系的不穩(wěn)定性和環(huán)境敏感性等因素，在原子/納米尺度上對(duì)鋰硫電池界面反應(yīng)的理解尚不深入。

廈門大學(xué)廖洪鋼、孫世剛和北京化工大學(xué)陳建峰等開發(fā)高時(shí)空分辨電化學(xué)原位液相透射電鏡技術(shù)，耦合真實(shí)電解液環(huán)境和外加電場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰硫電池界面反應(yīng)原子尺度動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)觀測(cè)和研究。發(fā)現(xiàn)電池活性材料表面分子聚集成為分子團(tuán)進(jìn)行反應(yīng)，電荷轉(zhuǎn)移可以首先存儲(chǔ)在聚集分子團(tuán)中，分子團(tuán)得到電子但不會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)化，直到獲得足夠電子后瞬時(shí)結(jié)晶轉(zhuǎn)化。而沒有活性的材料表面遵循經(jīng)典的單分子反應(yīng)途徑，多硫化鋰分子逐步轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)i2S。模擬計(jì)算表明，活性中心與多硫化鋰之間的靜電作用促進(jìn)了Li+和多硫分子的聚集，證實(shí)分子聚集體中的電荷可以自由轉(zhuǎn)移。這項(xiàng)成果于2023年9月6日，在國(guó)際頂級(jí)期刊Nature雜志上以“Visualizing Interfacial Collective Reaction Behaviour of Li-S Batteries”為題發(fā)表。

此成果發(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(gè)分子的擴(kuò)散、吸附和轉(zhuǎn)化等過程，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)晶等過程。

電化學(xué)原位透射電子顯微鏡技術(shù)研究鋰硫電池界面反應(yīng)

近百年來，電化學(xué)界面反應(yīng)通常被認(rèn)為僅存在“內(nèi)球反應(yīng)”和“外球反應(yīng)”單分子途徑。該研究揭示了電化學(xué)界面反應(yīng)存在第三種“電荷存儲(chǔ)聚集反應(yīng)”機(jī)制，加深了對(duì)多硫化物演變及其對(duì)電池表界面反應(yīng)動(dòng)力學(xué)影響的認(rèn)識(shí)，為下一代鋰硫電池設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

參考來源：

重磅！| 2023年度中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展揭曉.中國(guó)科學(xué)雜志社

Visualizing interfacial collective reaction behaviour of Li–S batteries. Nature, 621, 75–81 (2023).

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