2023年9月6日，我室陈建峰院士团队作为合作方之一，与厦门大学廖洪钢教授、孙世刚院士团队和美国阿贡国家实验室徐桂良、Khalil Amine研究员团队，在国际顶级期刊Nature上发表了题为“Visualizing Interfacial Collective Reaction Behaviour of Li-S Batteries”的最新研究成果。该项成果基于厦门大学自主研发建立的高时空分辨电化学原位液相透射电子显微系统（EC-TEM）以及北京化工大学陈建峰院士团队分子化学工程理论模拟方法，对锂硫电池界面反应过程进行了深入研究，首次发现了锂硫电池电荷储存聚集反应新机制。我室陈建峰院士团队施杰博士为该论文共同第一作者。
在碳达峰碳中和目标的推动下，发展具有高能量密度和储能效率的二次电池体系已经成为当前的研究热点。在原子/分子层次揭示电极和电解质界面的化学反应对于电池设计至关重要。目前对潜在机制的理解主要依赖于经典电化学理论和固/液界面的Gouy-Chapman-Stern（GCS）双电层模型。在此模型中，反应物质扩散到表面并吸附发生电极反应进行转化。然而，电极表/界面发生的电化学反应过程至今尚不明确，就像一个神秘的“黑匣子”。
锂硫电池具有极高的能量密度（2600 Wh kg–1）和更低的成本，然而受限于传统原位表征工具的时空分辨率的局限和锂硫体系的不稳定性和环境敏感性等挑战，当前仍然缺少原子/纳米尺度上对锂硫电池界面反应的理解。基于自主研发的电化学原位液相透射电镜对锂硫电池界面反应实时动态观测和研究技术，厦大团队发现在锂硫电池中存在着独特的界面反应机制，即在引入金属纳米团簇的表面多硫化锂（LiPSs）多以聚集态出现并能瞬时转变为非平衡态的Li2S纳米晶。这一发现不同于传统的电化学反应过程中LiPSs逐步转化为Li2S2和Li2S的经典途径。
为此，北化陈建峰院士团队开展了一系列分子动力学模拟研究，揭示了金属纳米团簇作为活性中心与LiPSs分子之间存在较强的长程静电作用，该界面亲和性的改变可以诱导并富集电解液中的LiPSs形成均布在电极表面的分子聚集体。从头算分子动力学模拟进一步证实LiPSs聚集体内部可以实现集体电荷转移，这为聚集态LiPSs的形成以及瞬时转变为Li2S纳米晶的观测结果提供了理论支持，揭示了金属活性中心介导的锂硫电池电荷储存聚集反应新机制。
图1. 理论模拟揭示LiPSs聚集态成因和集体电荷转移行为
这项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。未来，基于电荷储存聚集反应新机制将从全新角度推进锂硫电池电极材料和体系的设计和研发，促进高比能、高功率、快充锂硫电池的发展。
图2. 锂硫电池电荷储存聚集反应新机制（Ⅰ）和传统单分子转化路径（Ⅱ）
该工作得到国家自然科学基金委“化工纳微尺度过程强化”基础科学中心和基金项目的支持（项目批准号：22288102，22021001，U22A20396， 32101217，21991151，2191150，91934303），及中央高校基本科研业务费专项资金（20720220009）的资助，同时得到了固体表面物理化学国家重点实验室、能源材料化学协同创新中心和嘉庚创新实验室的支持。
原文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-023-06326-8
施杰博士简介：男，中共党员，2017年6月在北京化工大学化学工程学院获化学工程与工艺专业工学学士学位；同年9月免试保送攻读化学工程与技术专业博士学位，导师为陈建峰院士。攻读博士学位期间主要从事化学工程中的纳微界面亲和性作用理论及应用研究，在Nature, AIChE J., Chem. Eng. J., Ind. Eng. Chem. Res., Energy Environ. Sci., Nano Lett.等SCI期刊发表研究论文27篇，其中第一及共一作者8篇，通讯作者1篇。申请国家发明专利5项，已授权1项。