中国科学十大进展之发现锂硫电池界面电荷存储聚集反应新机制

2月29日，国家自然科学基金委员会发布了2023年度第19届“中国科学十大进展”的成果名单，在能源电池方向“发现锂硫电池界面电荷存储聚集反应新机制”入选。

同行专家曾对这项成果做出过高度评价：其填补了如何将高能量、低成本锂硫电池商业化的巨大知识空白。作者的成像结果解决了关于多硫化物穿梭效应的起源和演化，以及这些电池中界面反应的缓慢动力学的长期争论，并证实了电极表面结构对这些过程的影响。该结果对于电池和电子显微镜研究都具有重要意义。

成果介绍：

锂硫电池具有极高的能量密度（理论值：2600 Wh kg-1）和较低的成本，然而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性等因素，在原子/纳米尺度上对锂硫电池界面反应的理解尚不深入。

厦门大学廖洪钢、孙世刚和北京化工大学陈建峰等开发高时空分辨电化学原位液相透射电镜技术，耦合真实电解液环境和外加电场，实现对锂硫电池界面反应原子尺度动态实时观测和研究。发现电池活性材料表面分子聚集成为分子团进行反应，电荷转移可以首先存储在聚集分子团中，分子团得到电子但不会发生转化，直到获得足够电子后瞬时结晶转化。而没有活性的材料表面遵循经典的单分子反应途径，多硫化锂分子逐步转化为Li2S。模拟计算表明，活性中心与多硫化锂之间的静电作用促进了Li+和多硫分子的聚集，证实分子聚集体中的电荷可以自由转移。这项成果于2023年9月6日，在国际顶级期刊Nature杂志上以“Visualizing Interfacial Collective Reaction Behaviour of Li-S Batteries”为题发表。

此成果发现了锂硫电池全新的界面反应过程。不同于传统GCS模型所涉及的单个分子的扩散、吸附和转化等过程，锂硫电池电荷储存聚集反应新机制从原子/分子尺度揭示了金属活性中心与LiPSs之间的长程相互作用、LiPSs聚集体的形态、集体电荷储存和Li2S瞬时结晶等过程。

电化学原位透射电子显微镜技术研究锂硫电池界面反应

近百年来，电化学界面反应通常被认为仅存在“内球反应”和“外球反应”单分子途径。该研究揭示了电化学界面反应存在第三种“电荷存储聚集反应”机制，加深了对多硫化物演变及其对电池表界面反应动力学影响的认识，为下一代锂硫电池设计提供指导。

参考来源：

重磅！| 2023年度中国科学十大进展揭晓.中国科学杂志社

Visualizing interfacial collective reaction behaviour of Li–S batteries. Nature, 621, 75–81 (2023).

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