打開鋰硫電池“黑匣子”

近日，廈門大學(xué)廖洪鋼教授、孫世剛院士團隊與北京化工大學(xué)陳建峰院士以及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《自然》上發(fā)表了最新研究成果。該研究成果基于自主研發(fā)建立的高時空分辨電化學(xué)原位液相透射電子顯微系統(tǒng)，首次提示了鋰硫電池電荷儲存聚集反應(yīng)新機制，這一發(fā)現(xiàn)或?qū)⒁匀碌慕嵌韧苿愉嚵螂姵匕l(fā)展。

在碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的推動下，發(fā)展具有高能量密度和儲能效率的二次電池體系是當(dāng)前科學(xué)界的研究熱點。在原子/分子層次揭示電極和電解質(zhì)界面的化學(xué)反應(yīng)對于電池設(shè)計至關(guān)重要。

鋰硫電池具有極高的能量密度和更低的成本，但受限于傳統(tǒng)原位表征工具時空分辨率的局限與鋰硫體系的不穩(wěn)定性和環(huán)境敏感性等挑戰(zhàn)，缺少原子/納米尺度上對鋰硫電池界面反應(yīng)的理解。這一反應(yīng)過程，就像一個神秘的“黑匣子”。

為打開“黑匣子”，廈大團隊建立了高時空分辨電化學(xué)原位液相透射電鏡技術(shù)，耦合真實電解液環(huán)境和外加電場，實現(xiàn)了對鋰硫電池界面反應(yīng)原子尺度動態(tài)實時觀測和研究。

在研究中，團隊發(fā)現(xiàn)在鋰硫電池中存在著獨特的界面反應(yīng)機制。這項研究成果有望從全新角度推進(jìn)鋰硫電池電極材料和體系的設(shè)計與研發(fā)，促進(jìn)高比能、高功率、快充鋰硫電池的發(fā)展。

事實上，早在2016年，研究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(tǒng)理論模型預(yù)測的不同，其動態(tài)結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)化過程并非單個分子而是一群分子的集體性行為。

這一新發(fā)現(xiàn)在當(dāng)時的學(xué)術(shù)會議上引起了激烈的討論。很多人認(rèn)為這只是在特殊的環(huán)境中觀測到的一個偶然性假象，而非真實的結(jié)構(gòu)存在。但研究團隊并未被這些質(zhì)疑聲所動搖。多年來，研究團隊一邊沿著既定方向從事更高階、更深入的研究，一邊開發(fā)相關(guān)儀器設(shè)備，應(yīng)用全新的方法，建立了一套完整的表征方法。

“所謂運氣，恰恰是機會撞上了努力。”論文的第一作者、廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院博士研究生周詩遠(yuǎn)介紹，團隊一開始的研究目的是探索下一代最具應(yīng)用潛力的電池體系，希望通過研究其當(dāng)前所面臨的關(guān)鍵性科學(xué)問題，澄清其科學(xué)本質(zhì)與科學(xué)過程。電荷儲存聚集反應(yīng)新機制的發(fā)現(xiàn)，來源于團隊成員在一次談?wù)撝须S口一句“我們所觀測到的聚集體的本質(zhì)到底是什么”，啟發(fā)了研究團隊后續(xù)長期不斷地向內(nèi)探索與深挖。

“任何極具創(chuàng)新性的研究，在早期都是很難被理解的?！闭劶罢n題開展中遇到的困難，廖洪鋼如是說。由于原位電鏡的研究屬于一個十分前沿的領(lǐng)域，最初國際上從事相關(guān)研究的團隊不超過10個，團隊在研究該體系時可以參考的直接文獻(xiàn)、研究方案和實驗細(xì)節(jié)寥寥無幾，大部分的實驗條件都需要自己去摸索。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(xiàn)高時間和空間分辨率，對團隊而言是一個巨大的難題。因此，在前期，研究的進(jìn)展并不順利。

“很慶幸，我們團隊堅持了下來。”廖洪鋼表示，對于團隊來說，當(dāng)前的研究成果僅僅是初步探索出電池界面反應(yīng)的新機制，如何深入認(rèn)識其本質(zhì)和開發(fā)其應(yīng)用，依然任重而道遠(yuǎn)。

《中國教育報》2023年10月23日第6版