近日，廈門大學廖洪鋼教授、孫世剛院士團隊，與北京化工大學陳建峰院士團隊和美國阿貢國家實驗室徐桂良、Khalil Amine研究員團隊合作，在國際頂級期刊Nature（《自然》）發表了最新研究成果?；谧灾餮邪l建立的高時空分辨電化學原位液相透射電子顯微系統（EC-TEM），科學家們對鋰硫電池界面反應過程進行了深入研究，首次揭示了鋰硫電池電荷儲存聚集反應新機制。
開發新技術，發現鋰硫電池獨特界面反應機制
在“碳達峰碳中和”目標的推動下，發展具有高能量密度和儲能效率的二次電池體系，是當今科技界的研究熱點。
可充電鋰硫（Li-S）電池，被認為是下一代儲能系統的“希望之星”?！翱沙潆婁嚵螂姵氐淖饔迷硗ǔＩ婕巴ㄟ^稱為多硫化鋰（LiPSs）的中間體將硫轉化為Li_2S_2和Li_2S。然而，這些電池的性能受到Li_2S_2和Li_2S的電絕緣特性以及與多硫化鋰（LiPSs）相關的‘穿梭效應’的限制。”廖洪鋼說。
要克服這些限制，需要研究清楚幾個問題。例如，鋰硫電池運行中的哪一步限制了其充電速度？如何維持其結構穩定性以延長其使用壽命？
了解原子或分子水平上電池“電極-電解質界面”發生的電化學反應，對于良好的電池設計至關重要。然而，現有對電池運行機制的理解，主要依賴于經典電化學理論以及被稱為“Gouy-Chapman-Stern模型”的框架。在此理論模型中，離子從液體電解質擴散到固體電極表面，并通過界面處的反應進行轉化。
但是，這些反應基本尚未被探索過。
所有這些謎團就像被裝在一個神秘的“黑匣子”里，打開它需要使用先進的表征技術?！巴ǔ？梢酝ㄟ^原位透射電子顯微鏡（TEM）的方法，使用高能電子束，在原子水平上研究電化學反應。然而，在鋰硫電池中使用這種方法，會受到電池不穩定性及其環境敏感性的阻礙?！绷魏殇撜f。
對此，廈大團隊建立了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，實現了對鋰硫電池界面反應原子尺度動態實時觀測和研究。
“我們開發了一種高分辨率電化學TEM技術，將液體環境與電場相結合。然后，對此進行了全面的調查，以最大限度提高圖像分辨率并避免光束對電池造成的損壞。通過改進儀器和實驗設計，實現了這些電池中界面反應的實時、原子級可視化?！绷魏殇撜f。
令人驚奇的是，廈大團隊發現，在鋰硫電池中存在著獨特的界面反應機制，即引入金屬納米團簇活性中心的表面誘導多硫化鋰（LiPSs）聚集和電荷儲存，導致從多硫化鋰（LiPSs）富集相瞬時轉變為非平衡態的Li_2S納米晶。
“這一發現，不同于傳統的電化學反應過程中多硫化鋰（LiPSs）逐步轉化為Li_2S_2和Li_2S的經典途徑，可以說是擴展了現有的基于Gouy-Chapman-Stern模型的電化學反應的傳統理解。”廖洪鋼解釋。
在質疑中突圍，推動鋰硫電池向前發展
早在2016年，廈大團隊就在具備高時空分辨能力的原位電子顯微鏡下，偶然觀測到固液界面的離子分子在表面的吸附與傳統理論模型預測的不同，其界面吸附并非單個分子而是一群分子的集體性行為。
“也就是說，我們很早就獲得此次論文中的部分研究結果。但當時，這一發現曾引起了熱烈的討論。質疑與反對的聲音認為，這只是在特殊的環境中觀測到的偶然性假象，而非一個真實的結構存在?！绷魏殇撜f。
面對外界的聲音，廈大團隊仍然沿著既定方向從事更高階、更深入的研究，同時開發相關儀器設備，應用全新的方法，建立了一套完整的表征方法。
團隊一開始的研究目的，是探索下一代最具應用潛力的電池體系，希望通過研究其面臨的關鍵性科學問題，澄清其科學本質與科學過程。
“由于原位電鏡的研究屬于一個十分前沿的領域，最開始國際上從事相關研究的團隊甚至不超過10個，團隊在研究該體系時可以參考的直接文獻、研究方案和實驗細節寥寥無幾，大部分的實驗條件都需要自己去摸索。”廖洪鋼說。
尤其是，如何在排除透射電鏡引入實際體系影響的前提下實現高時間和空間分辨率，對團隊而言是一個巨大的難題。
日拱一卒，終于功不唐捐。
“最終，相關成果發現了鋰硫電池全新的界面反應過程。值得一提的是，這一在鋰硫電池體系中觀察到的集體電子轉移反應行為，最近也在其他電化學體系中觀察到?！绷魏殇撜f。
記者了解到，未來，基于電荷儲存聚集反應新機制，廈大團隊還將從全新角度推進鋰硫電池電極材料和體系的設計和研發，進一步促進高比能、高功率、快充鋰硫電池的發展?！颁嚵螂姵刂杏^察到的集體反應行為是否也存在于其他類型的電池中，例如鋰金屬電池和鈉硫電池，也是值得研究的?！绷魏殇撜f。
