厦大团队科研新成果亮相 锂硫电池“黑箱”终于被打开

记者近日从厦门大学获悉，该校孙世刚院士、廖洪钢教授团队联合华中科技大学黄云辉教授团队等，借助自主开发的电化学原位液相透射电子显微装置，首次观测到电极/电解液界面处由浓度驱动的相分离现象。

该发现揭示了锂硫电池中高浓度多硫化锂界面层的形成与演化规律，为设计和发展高能量密度、快充锂硫电池体系提供了新的理论基础。相关研究成果发表于《自然》杂志。

据悉，固—液界面的电荷传递在各类储能系统中发挥核心作用，尤其当反应物浓度不断变化时，看清真实反应界面如何反应，一直是国际谜题。“锂硫电池作为最具潜力的下一代高比能储能电池之一，其内部反应在实际使用条件下，极难被观测，界面反应一直像个‘黑箱’，严重限制了电池性能提升。”廖洪钢教授解释说。

为突破这一瓶颈，团队在前期研究工作的基础上，进一步运用电化学原位液相透射电子显微镜，克服了传统电镜只能在真空条件下观测静态样本的缺点，实现了对锂硫电池纳米尺度界面反应的高分辨实时动态成像、观察。

研究表明，在实际使用条件下，放电时多硫化锂持续向电极界面聚集，在局部形成高浓度界面层，随后，这些高浓度多硫化锂发生相分离，形成大量富含离子团的类液团结构。借助高分辨率的实时动态成像，团队首次清晰地阐明了界面层中硫化锂沉积存在的两条竞争路径：一是在电极表面直接发生电荷转移反应与沉积，二是在电解液中反应沉积生长。

工作人员介绍，这两条路径就像两个不同的沉积工厂，一个在电极上，一个在溶液里，它们相互抢夺原料，最终影响电池表现。这两条路径的竞争与平衡，共同决定锂硫电池中硫转化反应的效率和稳定性。

过去，多硫化锂聚集通常被视为导致穿梭效应和容量衰减的负面因素。但这次研究发现：在受限的高浓度界面环境中，这些多硫化锂离子聚集体，反而能成为快速的电子传递和硫转化的介质。这说明，界面反应不是简单的二维界面反映，而是随浓度、结构不断变化的三维动态过程。

基于这些发现，团队提出了优化电极设计的策略：通过合理调控多硫化锂浓度、硫含量和电极界面结构，平衡表面和溶液中的沉淀过程，来提高硫转化效率。电化学测试表明，适当的高浓度虽然会增加电解液黏度和电阻，但能显著降低界面电子传递的阻力，从而保持低极化和快反应速度。

该项研究破解了锂硫电池中微米级厚度硫化锂沉积层形成的难题，为下一代高能量密度、快充和长寿命储能器件的设计提供了科学依据。（福建日报记者 李珂 实习生 郑新尧）