CHIPNOVA原位液相電化學(xué)助力破解“黑匣子”，揭示電荷儲存聚集反應新機制

北京時(shí)間9月6日，廈門(mén)大學(xué)廖洪鋼教授、孫世剛院士團隊，與北京化工大學(xué)陳建峰院士團隊和美國阿貢國家實(shí)驗室徐桂良、Khalil Amine研究員團隊合作，在國際Ding級期刊Nature雜志上發(fā)表了題為“Visualizing Interfacial Collective Reaction Behaviour of Li-S Batteries"的最新研究成果。

該項成果基于自主研發(fā)建立的高時(shí)空分辨電化學(xué)原位液相透射電子顯微系統（EC-TEM），對鋰硫電池界面反應過(guò)程進(jìn)行了深入研究，shouci發(fā)現了鋰硫電池電荷儲存聚集反應新機制。

論文通訊作者：廖洪鋼教授、徐桂良研究員、Khalil Amine研究員

第一作者：周詩(shī)遠、施杰

▲ 重要發(fā)現：鋰硫電池電荷儲存聚集反應行為

在“碳達峰，碳中和"目標的推動(dòng)下，發(fā)展具有高能量密度和儲能效率的二次電池體系已經(jīng)成為當前的研究熱點(diǎn)。在原子/分子層次揭示電極和電解質(zhì)界面的化學(xué)反應對于電池設計至關(guān)重要。目前對潛在機制的理解主要依賴(lài)于經(jīng)典電化學(xué)理論和固/液界面的Gouy-Chapman-Stern（GCS）雙電層模型。在此模型中，反應物質(zhì)擴散到表面并吸附發(fā)生電極反應進(jìn)行轉化。然而，電極表/界面發(fā)生的電化學(xué)反應過(guò)程至今尚不明確，就像一個(gè)神秘的“黑匣子"。

鋰硫電池具有jigao的能量密度（2600 Wh kg–1）和更低的成本，然而受限于傳統原位表征工具的時(shí)空分辨率的局限和鋰硫體系的不穩定性和環(huán)境敏感性等挑戰，當前仍然缺少原子/納米尺度上對鋰硫電池界面反應的理解。為此，廈大團隊采用CHIPNOVA（超新芯）透射電鏡液體電化學(xué)原位系統，耦合真實(shí)電解液環(huán)境和外加電場(chǎng)，實(shí)現了對鋰硫電池界面反應原子尺度動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)觀(guān)測和研究。

在這項工作中，廖洪鋼教授、孫世剛院士團隊發(fā)現在鋰硫電池中存在著(zhù)dute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LiPSs富集相瞬時(shí)轉變?yōu)榉瞧胶鈶B(tài)的Li2S納米晶。這一發(fā)現不同于傳統的電化學(xué)反應過(guò)程中 LiPSs逐步轉化為L(cháng)i2S2和Li2S的經(jīng)典途徑。分子動(dòng)力學(xué)模擬證實(shí)了活性中心與LiPSs分子之間的長(cháng)程靜電作用導致界面分子聚集體的形成以及電極界面的集體電子轉移。

這項成果發(fā)現了鋰硫電池全新的界面反應過(guò)程。不同于傳統GCS模型所涉及的單個(gè)分子的擴散、吸附和轉化等過(guò)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(cháng)程相互作用、LiPSs聚集體的形態(tài)、集體電荷儲存和Li2S瞬時(shí)結晶等過(guò)程。未來(lái)，基于電荷儲存聚集反應新機制將從全新角度推進(jìn)鋰硫電池電極材料和體系的設計和研發(fā)，促進(jìn)高比能、高功率、快充鋰硫電池的發(fā)展。這一在鋰硫電池體系中觀(guān)察到的集體電子轉移反應行為最近也在其他電化學(xué)體系中觀(guān)察到。

同期，Nature雜志還以Research Briefing形式對該成果進(jìn)行了科普性報道。

《自然》雜志副主編Yohan Dall’Agnese評價(jià)該工作——這篇論文很引人注目，因為作者揭示了鋰硫電池中一個(gè)wanquan意想不到的儲能機制?？紤]到這種類(lèi)型的電池已經(jīng)被廣泛研究了幾十年，這是一個(gè)極為罕見(jiàn)的情況。這些觀(guān)察結果得益于令人印象深刻的高分辨率原位透射電子顯微鏡的發(fā)展，它們將有助于改進(jìn)下一代電池。

同行專(zhuān)家對這項工作高度評價(jià)——這項工作tianbu了如何將高能量、低成本鋰硫電池商業(yè)化的巨大知識空白。作者的成像結果解決了關(guān)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(dòng)力學(xué)的長(cháng)期爭論，并證實(shí)了電極表面結構對這些過(guò)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。