廖洪鋼教授（左）參加2023年度中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展發(fā)布會(huì)并代表團(tuán)隊(duì)領(lǐng)獎(jiǎng)

發(fā)現(xiàn)鋰硫電池界面電荷存儲(chǔ)聚集反應(yīng)機(jī)制

電化學(xué)原位透射電子顯微鏡技術(shù)研究鋰硫電池界面反應(yīng)

鋰硫電池具有極、高的能量密度（理論值：2600 Wh kg^-1）和較低的成本，然而受限于傳統(tǒng)原位表征工具的時(shí)空分辨率及鋰硫體系的不穩(wěn)定性和環(huán)境敏感性等因素，在原子/納米尺度上對(duì)鋰硫電池界面反應(yīng)的理解尚不深入。廈門(mén)大學(xué)廖洪鋼、孫世剛和北京化工大學(xué)陳建峰等采用CHIPNOVA（超新芯）透射電鏡液體電化學(xué)原位系統(tǒng)，耦合真實(shí)電解液環(huán)境和外加電場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰硫電池界面反應(yīng)原子尺度動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)觀測(cè)和研究。發(fā)現(xiàn)電池活性材料表面分子聚集成為分子團(tuán)進(jìn)行反應(yīng)，電荷轉(zhuǎn)移可以首先存儲(chǔ)在聚集分子團(tuán)中，分子團(tuán)得到電子但不會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)化，直到獲得足夠電子后瞬時(shí)結(jié)晶轉(zhuǎn)化。而沒(méi)有活性的材料表面遵循經(jīng)典的單分子反應(yīng)途徑，多硫化鋰分子逐步轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)i2S。模擬計(jì)算表明，活性中心與多硫化鋰之間的靜電作用促進(jìn)了Li+和多硫分子的聚集，證實(shí)分子聚集體中的電荷可以自由轉(zhuǎn)移。近百年來(lái)，電化學(xué)界面反應(yīng)通常被認(rèn)為僅存在“內(nèi)球反應(yīng)”和“外球反應(yīng)”單分子途徑。該研究揭示了電化學(xué)界面反應(yīng)存在第三種“電荷存儲(chǔ)聚集反應(yīng)”機(jī)制，加深了對(duì)多硫化物演變及其對(duì)電池表界面反應(yīng)動(dòng)力學(xué)影響的認(rèn)識(shí)，為下一代鋰硫電池設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

以上來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院院刊、廈大化學(xué)化工學(xué)院

廖洪鋼 教授

廈門(mén)大學(xué)

科研工作介紹：開(kāi)發(fā)多種原位電鏡芯片反應(yīng)器及系統(tǒng)，將液體、氣體引入電子顯微鏡并與電、熱、光、力等外場(chǎng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)原子尺度實(shí)時(shí)成像、價(jià)態(tài)等動(dòng)態(tài)反應(yīng)過(guò)程信息獲取，為化學(xué)、材料基礎(chǔ)研究及應(yīng)用提供了一個(gè)新的微觀視角。實(shí)時(shí)觀察研究了溶液中多種納米晶的成核生長(zhǎng)及形貌演變過(guò)程，革新了納米晶生長(zhǎng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)，被報(bào)道為“塑造納米晶體的未來(lái)”，“改變了一百多年來(lái)對(duì)晶體生長(zhǎng)規(guī)律的認(rèn)知”。近百年來(lái)電化學(xué)界面反應(yīng)通常被認(rèn)為僅存在“內(nèi)球反應(yīng)”和“外球反應(yīng)”單分子途徑，電化學(xué)反應(yīng)的原位研究在原子/分子尺度揭示了電極表面分子、離子的聚集形態(tài)、電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)過(guò)程，發(fā)現(xiàn)電化學(xué)界面反應(yīng)存在第三種“電荷存儲(chǔ)聚集反應(yīng)”機(jī)制，為下一代電池設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。