原標(biāo)題：《自然》雜志刊發(fā)，廈大團(tuán)隊(duì)科研新成果亮相

鋰硫電池“黑箱”終于被打開

記者近日從廈門大學(xué)獲悉，該校孫世剛院士、廖洪鋼教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合華中科技大學(xué)黃云輝教授團(tuán)隊(duì)等，借助自主開發(fā)的電化學(xué)原位液相透射電子顯微裝置，首次觀測到電極/電解液界面處由濃度驅(qū)動(dòng)的相分離現(xiàn)象。

該發(fā)現(xiàn)揭示了鋰硫電池中高濃度多硫化鋰界面層的形成與演化規(guī)律，為設(shè)計(jì)和發(fā)展高能量密度、快充鋰硫電池體系提供了新的理論基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果發(fā)表于《自然》雜志。

據(jù)悉，固—液界面的電荷傳遞在各類儲(chǔ)能系統(tǒng)中發(fā)揮核心作用，尤其當(dāng)反應(yīng)物濃度不斷變化時(shí)，看清真實(shí)反應(yīng)界面如何反應(yīng)，一直是國際謎題�！颁嚵螂姵刈鳛樽罹邼摿Φ南乱淮�高比能儲(chǔ)能電池之一，其內(nèi)部反應(yīng)在實(shí)際使用條件下，極難被觀測，界面反應(yīng)一直像個(gè)‘黑箱’，嚴(yán)重限制了電池性能提升�！绷魏殇摻淌诮忉屨f。

為突破這一瓶頸，團(tuán)隊(duì)在前期研究工作的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步運(yùn)用電化學(xué)原位液相透射電子顯微鏡，克服了傳統(tǒng)電鏡只能在真空條件下觀測靜態(tài)樣本的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋰硫電池納米尺度界面反應(yīng)的高分辨實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)成像、觀察。

研究表明，在實(shí)際使用條件下，放電時(shí)多硫化鋰持續(xù)向電極界面聚集，在局部形成高濃度界面層，隨后，這些高濃度多硫化鋰發(fā)生相分離，形成大量富含離子團(tuán)的類液團(tuán)結(jié)構(gòu)。借助高分辨率的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)成像，團(tuán)隊(duì)首次清晰地闡明了界面層中硫化鋰沉積存在的兩條競爭路徑：一是在電極表面直接發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)與沉積，二是在電解液中反應(yīng)沉積生長。

工作人員介紹，這兩條路徑就像兩個(gè)不同的沉積工廠，一個(gè)在電極上，一個(gè)在溶液里，它們相互搶奪原料，最終影響電池表現(xiàn)。這兩條路徑的競爭與平衡，共同決定鋰硫電池中硫轉(zhuǎn)化反應(yīng)的效率和穩(wěn)定性。

過去，多硫化鋰聚集通常被視為導(dǎo)致穿梭效應(yīng)和容量衰減的負(fù)面因素。但這次研究發(fā)現(xiàn)：在受限的高濃度界面環(huán)境中，這些多硫化鋰離子聚集體，反而能成為快速的電子傳遞和硫轉(zhuǎn)化的介質(zhì)。這說明，界面反應(yīng)不是簡單的二維界面反映，而是隨濃度、結(jié)構(gòu)不斷變化的三維動(dòng)態(tài)過程。

基于這些發(fā)現(xiàn)，團(tuán)隊(duì)提出了優(yōu)化電極設(shè)計(jì)的策略：通過合理調(diào)控多硫化鋰濃度、硫含量和電極界面結(jié)構(gòu)，平衡表面和溶液中的沉淀過程，來提高硫轉(zhuǎn)化效率。電化學(xué)測試表明，適當(dāng)?shù)母邼舛入m然會(huì)增加電解液黏度和電阻，但能顯著降低界面電子傳遞的阻力，從而保持低極化和快反應(yīng)速度。

該項(xiàng)研究破解了鋰硫電池中微米級(jí)厚度硫化鋰沉積層形成的難題，為下一代高能量密度、快充和長壽命儲(chǔ)能器件的設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)。（記者 李珂 實(shí)習(xí)生 鄭新堯）