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喜报 | “发现锂硫电池界面电荷存储聚集反应新机制”入选2023年度“中国科学十大进展”

2024-03-01

2月29日，国家自然科学基金委员会发布2023年度中国科学十大进展。超新芯创始人厦门大学廖洪钢教授、厦门大学孙世刚院士团队和北京化工大学陈建峰院士团队研究成果“发现锂硫电池界面电荷存储聚集反应新机制”入选。

廖洪钢教授（左）参加2023年度中国科学十大进展发布会并代表团队领奖

背景介绍

发展具有高能量密度和高功率的电池体系是实现碳达峰碳中和目标的重要途径。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和反应过程的理解尚不深入，锂硫电池广泛应用也还未实现。目前对储能机制的认识主要基于固/液界面的双电层模型及经典电化学理论，反应物分子扩散到电极表面并发生电子转移转化然后脱附离开表面。关于化学反应和电荷转移的研究中，Henry Taube发现电子转移的“内球反应”机制的贡献获得1983年诺贝尔奖，Rudolph A. Marcus基于“外球反应”机制提出电化学反应理论于1992年获得诺贝尔奖，后来拓展到内球反应机制，基本统一了电化学的电子转移反应理论。但是受限于传统表征工具的时空分辨率的局限，他们的理论都是基于简单的单分子模型得失电子反应来理解的。反应分子在电极表面得到电子，发生构型转化，同时分子周围配位环境相应发生改变以达到新的稳定状态，反应分子通过单分子得失电子反应途径变成新的物质。然而，真实电极表/界面处有成千上万的分子、离子等存在，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”。

研究成果

电化学原位透射电子显微镜技术研究锂硫电池界面反应

自主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，在原子尺度实现对锂硫电池界面及其反应过程动态实时观测和研究，发现锂硫电池界面电荷存储聚集反应新机制，即在具有电池活性中心的材料表面，多硫化锂分子在活性中心处聚集成为分子团进行反应：转移的电荷首先存储在聚集分子团中，分子团得到电子并不立即发生转化，直到获得足够电子后瞬时结晶转化为非晶态硫化锂。而在没有活性中心的材料表面遵循经典的单分子反应途径：单个多硫化锂分子得到电子，逐步转化，最后转化为Li2S分子，后续结晶并生长。

重大意义

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。该新机制的发现揭示出电化学界面反应在传统单分子反应途径外，存在“电荷存储聚集反应”机制。该研究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。相关研究论文于2023年9月7日发表在Nature 期刊[621(7977): 75-81]上。自上世纪六十年代锂硫电池概念提出，该研究是国际上首次锂硫电池的研究论文登上Nature期刊。Nature期刊副主编Yohan Dall Agnese评价该工作：“很引人注目，作者揭示了被广泛研究数十年的锂硫电池中完全想不到的储能机制，这是极为罕见的。发展的高分辨原位电镜令人印象深刻，新技术发展和新机制的发现将极大助力下一代电池的设计。”

人物简介

廖洪钢教授

教授、博士生导师，国家高层次引进人才、闽江学者特聘教授。主要研究领域为原位电镜技术开发及其在材料合成、电催化、能源存储与转换过程的应用。完成了原位液体透射电镜的早期示范性研究，在Science、Nature及其子刊、JACS、Angew、EES等期刊发表论文100余篇，申请及授权专利、软著60余项，自主开发多种原位电镜芯片及分析系统，可在基础研究及产业升级等方面广泛应用。目前担任中国能源学会专家委员会委员，中国化学会高分子材料分析技术与表征方法专业委员会委员，厦门大学校友会创业分会监事长，厦门超新芯科技有限公司总经理。

其开发的多种原位电镜芯片反应器及系统，将液体、气体引入电子显微镜并与电、热、光、力等外场相结合，实现原子尺度实时成像、价态等动态反应过程信息获取，为化学、材料基础研究及应用提供了一个新的微观视角。实时观察研究了溶液中多种纳米晶的成核生长及形貌演变过程，革新了纳米晶生长规律的认识，被报道为“塑造纳米晶体的未来”，“颠覆了一百多年来对晶体生长规律的认知”。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，电化学反应的原位研究在原子/分子尺度揭示了电极表面分子、离子的聚集形态、电子转移反应过程，发现电化学界面反应存在第三种“电荷存储聚集反应”机制，为下一代电池设计提供指导。

产业化公司超新芯科技科学仪器板块主营产品电镜原位显微分析系统，覆盖液体、气体、力学、加热、冷冻五大系列，客户覆盖北大、清华、浙大等国内知名院校、中科院等国内外科研单位、各类国家级重点实验室，打破了欧美公司的垄断，实现进口替代，市场销量领先。

透射电镜液体电化学原位系统

透射电镜液体电化学原位系统采用MEMS微加工工艺在原位样品台内构建液氛纳米实验室，通过MEMS芯片对薄层或纳米电池系统施加电信号等，在进行电学性质测量的同时，结合使用EDS、EELS、SAED、HRTEM、STEM等多种不同模式，实现从纳米甚至原子层面实时、动态监测电极、电解液及其界面在工况下的微观结构演化、反应动力学、相变、元素价态、化学变化、微观应力以及表/界面处的原子级结构和成分演化等关键信息。