我科研团队揭示电荷储存聚集反应新机制

科技日报讯 记者9月19日从厦门大学获悉，该校廖洪钢教授、孙世刚院士团队和北京化工大学陈建峰院士团队合作，基于其自主研发的高时空分辨电化学原位液相透射电子显微系统，首次发现了锂硫电池中存在独特的界面反应机制，这一发现或将从全新角度推进新一代高能量密度和高储能效率的锂硫电池研发。相关研究论文日前发表在《自然》上。

在“双碳”目标下，研发具有高能量密度和高储能效率的二次电池体系成为研究热点，其中在原子、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。

研究人员介绍，高能量密度、低成本锂硫电池发展潜力巨大，但受限于传统原位表征工具的时空分辨率及锂硫体系的不稳定性和环境敏感属性，其原子、纳米尺度上的界面反应过程至今难以明确，从而制约了高性能锂硫电池发展。这一反应过程也被学界及业界视作神秘的“黑匣子”。

为此，研究团队自主研发了高时空分辨电化学原位液相透射电镜，耦合真实电解液环境和外加电场，实现了在原子尺度上对锂硫电池界面反应的动态实时观测和研究。

在观测研究中，研究团队首次发现了锂硫电池中存在着独特的界面反应机制。不同于传统模型观测到的传统电化学反应过程，新发现的界面反应过程显示，引入金属纳米团簇活性中心的表面能诱导多硫化锂聚集和电荷储存，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。这一发现揭示了金属活性中心与多硫化锂之间的长程静电作用、多硫化锂聚集体的形态、集体电荷储存和硫化锂瞬时结晶等过程。

这项突破传统理论的研究成果，有望从全新角度推进锂硫电池电极材料和体系的设计研发，促进高比能、高功率、快充锂硫电池的发展。论文第一作者周诗远介绍，团队希望通过解决业界面临的关键性科学问题，探索下一代最具应用潜力的电池体系。