打开锂硫电池“黑匣子”

本文转自：中国教育报

厦大科研团队揭示锂硫电池电荷储存聚集反应新机制——

打开锂硫电池“黑匣子”

近日，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以及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《自然》上发表了最新研究成果。该研究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，首次提示了锂硫电池电荷储存聚集反应新机制，这一发现或将以全新的角度推动锂硫电池发展。

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是当前科学界的研究热点。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。

锂硫电池具有极高的能量密度和更低的成本，但受限于传统原位表征工具时空分辨率的局限与锂硫体系的不稳定性和环境敏感性等挑战，缺少原子/纳米尺度上对锂硫电池界面反应的理解。这一反应过程，就像一个神秘的“黑匣子”。

为打开“黑匣子”，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。

在研究中，团队发现在锂硫电池中存在着独特的界面反应机制。这项研究成果有望从全新角度推进锂硫电池电极材料和体系的设计与研发，促进高比能、高功率、快充锂硫电池的发展。

事实上，早在2016年，研究团队就在具备高时空分辨能力的原位电子显微镜下，偶然观测到固液界面的离子分子在表面的吸附与传统理论模型预测的不同，其动态结构及转化过程并非单个分子而是一群分子的集体性行为。

这一新发现在当时的学术会议上引起了激烈的讨论。很多人认为这只是在特殊的环境中观测到的一个偶然性假象，而非真实的结构存在。但研究团队并未被这些质疑声所动摇。多年来，研究团队一边沿着既定方向从事更高阶、更深入的研究，一边开发相关仪器设备，应用全新的方法，建立了一套完整的表征方法。

“所谓运气，恰恰是机会撞上了努力。”论文的第一作者、厦门大学化学化工学院博士研究生周诗远介绍，团队一开始的研究目的是探索下一代最具应用潜力的电池体系，希望通过研究其当前所面临的关键性科学问题，澄清其科学本质与科学过程。电荷储存聚集反应新机制的发现，来源于团队成员在一次谈论中随口一句“我们所观测到的聚集体的本质到底是什么”，启发了研究团队后续长期不断地向内探索与深挖。

“任何极具创新性的研究，在早期都是很难被理解的。”谈及课题开展中遇到的困难，廖洪钢如是说。由于原位电镜的研究属于一个十分前沿的领域，最初国际上从事相关研究的团队不超过10个，团队在研究该体系时可以参考的直接文献、研究方案和实验细节寥寥无几，大部分的实验条件都需要自己去摸索。尤其是如何在排除透射电镜引入实际体系影响的前提下实现高时间和空间分辨率，对团队而言是一个巨大的难题。因此，在前期，研究的进展并不顺利。

“很庆幸，我们团队坚持了下来。”廖洪钢表示，对于团队来说，当前的研究成果仅仅是初步探索出电池界面反应的新机制，如何深入认识其本质和开发其应用，依然任重而道远。