打開鋰硫電池“黑匣子”

近日，廈門大學廖洪鋼教授、孫世剛院士團隊與北京化工大學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。

在碳達峰、碳中和目標的推動下，發(fā)展具有高能量密度和儲能效率的二次電池體系是當前科學界的研究熱點。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鋰硫電池電極材料和體系的設(shè)計與研發(fā)，促進高比能、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)在當時的學術(shù)會議上引起了激烈的討論。很多人認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?！闭撐牡牡谝蛔髡?、廈門大學化學化工學院博士研究生周詩遠介紹，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，希望通過研究其當前所面臨的關(guān)鍵性科學問題，澄清其科學本質(zhì)與科學過程。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。”談及課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、研究方案和實驗細節(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，研究的進展并不順利。

“很慶幸，我們團隊堅持了下來?！绷魏殇摫硎?，對于團隊來說，當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，如何深入認識其本質(zhì)和開發(fā)其應(yīng)用，依然任重而道遠。

《中國教育報》2023年10月23日第6版