破解“黑匣子”，厦大科研团队揭示电荷储存聚集反应新机制

北京时间9月6日23时，厦门大学廖洪钢教授、孙世刚院士团队，与北京化工大学陈建峰院士团队和美国阿贡国家实验室徐桂良、Khalil Amine研究员团队合作，在国际顶级期刊Nature上发表了题为“Visualizing Interfacial Collective Reaction Behaviour of Li-S Batteries”的最新研究成果。该项成果基于自主研发建立的高时空分辨电化学原位液相透射电子显微系统（EC-TEM），对锂硫电池界面反应过程进行了深入研究，首次发现了锂硫电池电荷储存聚集反应新机制。

该论文的第一作者是厦门大学化学化工学院的博士研究生周诗远（南强优博计划），以及北京化工大学的施杰博士。

同期，Nature还以Research Briefing形式对该成果进行了科普性报道。

重要发现：锂硫电池电荷储存聚集反应行为

在碳达峰碳中和目标的推动下，发展具有高能量密度和储能效率的二次电池体系已经成为当前的研究热点。在原子/分子层次揭示电极和电解质界面的化学反应对于电池设计至关重要。目前对潜在机制的理解主要依赖于经典电化学理论和固/液界面的Gouy-Chapman-Stern（GCS）双电层模型。在此模型中，反应物质扩散到表面并吸附发生电极反应进行转化。然而，电极表/界面发生的电化学反应过程至今尚不明确，就像一个神秘的“黑匣子”。

锂硫电池具有极高的能量密度（2600 Wh kg–1）和更低的成本，然而受限于传统原位表征工具的时空分辨率的局限和锂硫体系的不稳定性和环境敏感性等挑战，当前仍然缺少原子/纳米尺度上对锂硫电池界面反应的理解。为此，厦大团队建立了高时空分辨电化学原位液相透射电镜技术，耦合真实电解液环境和外加电场，实现了对锂硫电池界面反应原子尺度动态实时观测和研究。

令人惊奇的是，厦大团队发现在锂硫电池中存在着独特的界面反应机制，即引入金属纳米团簇活性中心的表面诱导多硫化锂（LiPSs）聚集和电荷储存，导致从LiPSs富集相瞬时转变为非平衡态的Li2S纳米晶。这一发现不同于传统的电化学反应过程中LiPSs逐步转化为Li2S2和Li2S的经典途径。分子动力学模拟证实了活性中心与LiPSs分子之间的长程静电作用导致界面分子聚集体的形成以及电极界面的集体电子转移。

重大意义：锂硫电池电荷储存聚集反应新机制

这项成果发现了锂硫电池全新的界面反应过程。不同于传统GCS模型所涉及的单个分子的扩散、吸附和转化等过程，锂硫电池电荷储存聚集反应新机制从原子/分子尺度揭示了金属活性中心与LiPSs之间的长程相互作用、LiPSs聚集体的形态、集体电荷储存和Li2S瞬时结晶等过程。未来，基于电荷储存聚集反应新机制将从全新角度推进锂硫电池电极材料和体系的设计和研发，促进高比能、高功率、快充锂硫电池的发展。这一在锂硫电池体系中观察到的集体电子转移反应行为最近也在其他电化学体系中观察到。

▲厦门大学研究团队合影

（前排左一为孙世刚，左二为廖洪钢，后排右四为周诗远）

十年沉淀，引领原位电镜前沿研究

厦门大学廖洪钢教授聚焦原位电镜技术开发，开拓并实现了将光、电、热、力等外场引入原位/工况高时空分辨研究，并在化学、材料科学、生命科学等领域得到广泛应用。开发的先进原位/工况电镜技术，其气液环境成像分辨率达到原子级，可在原子/分子层次对材料、固液界面过程等实现高时空分辨动态成像，并获取反应的价态、组分变化和物质传输信息，为深入研究基础科学问题和发展工程技术提供了新的研究平台。团队发展的新型高分辨原位芯片反应器及系统已在国内外广泛应用，助力基础研究和产业升级。

该工作得到国家自然科学基金委“化工纳微尺度过程强化”基础科学中心和基金项目的支持（项目批准号：22288102，22021001，U22A20396， 32101217，21991151，2191150，91934303），及中央高校基本科研业务费专项资金（20720220009）的资助，同时得到了固体表面物理化学国家重点实验室、能源材料化学协同创新中心和嘉庚创新实验室的支持。

原文链接:

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06326-8

Research briefing:

https://www.nature.com/articles/d41586-023-02390-2

转自：“科研大匠”微信公众号

如有侵权，请联系本站删除！