中國科學十大進展之發現鋰硫電池界面電荷存儲聚集反應新機制

2月29日，國家自然科學基金委員會發布了2023年度第19屆“中國科學十大進展”的成果名單，在能源電池方向“發現鋰硫電池界面電荷存儲聚集反應新機制”入選。

同行專家曾對這項成果做出過高度評價：其填補了如何將高能量、低成本鋰硫電池商業化的巨大知識空白。作者的成像結果解決了關于多硫化物穿梭效應的起源和演化，以及這些電池中界面反應的緩慢動力學的長期爭論，并證實了電極表面結構對這些過程的影響。該結果對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，然而受限于傳統原位表征工具的時空分辨率及鋰硫體系的不穩定性和環境敏感性等因素，在原子/納米尺度上對鋰硫電池界面反應的理解尚不深入。

廈門大學廖洪鋼、孫世剛和北京化工大學陳建峰等開發高時空分辨電化學原位液相透射電鏡技術，耦合真實電解液環境和外加電場，實現對鋰硫電池界面反應原子尺度動態實時觀測和研究。發現電池活性材料表面分子聚集成為分子團進行反應，電荷轉移可以首先存儲在聚集分子團中，分子團得到電子但不會發生轉化，直到獲得足夠電子后瞬時結晶轉化。而沒有活性的材料表面遵循經典的單分子反應途徑，多硫化鋰分子逐步轉化為Li2S。模擬計算表明，活性中心與多硫化鋰之間的靜電作用促進了Li+和多硫分子的聚集，證實分子聚集體中的電荷可以自由轉移。這項成果于2023年9月6日，在國際頂級期刊Nature雜志上以“Visualizing Interfacial Collective Reaction Behaviour of Li-S Batteries”為題發表。

此成果發現了鋰硫電池全新的界面反應過程。不同于傳統GCS模型所涉及的單個分子的擴散、吸附和轉化等過程，鋰硫電池電荷儲存聚集反應新機制從原子/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、集體電荷儲存和Li2S瞬時結晶等過程。

電化學原位透射電子顯微鏡技術研究鋰硫電池界面反應

近百年來，電化學界面反應通常被認為僅存在“內球反應”和“外球反應”單分子途徑。該研究揭示了電化學界面反應存在第三種“電荷存儲聚集反應”機制，加深了對多硫化物演變及其對電池表界面反應動力學影響的認識，為下一代鋰硫電池設計提供指導。

參考來源：

重磅！| 2023年度中國科學十大進展揭曉.中國科學雜志社

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

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