科技博览

在全球积极追求“碳中和”目标的大背景下，发展高效能源存储技术已成为科技发展重点。在众多新型绿色能源技术中，以锂离子电池为代表的产品已对社会生活产生深远影响，尤其在电动汽车和移动电子设备等领域广泛应用。然而，人们常常会对这些电池的续航时间感到焦虑，一直在寻求更长时间电量续航和在更小质量下存储更多能量。这就需要开发更为先进的电池体系。

作为一种新兴能源技术，锂硫电池因其高能量密度和环境友好型而备受关注。然而，尽管具备多种优势，锂硫电池从实验室到市场的转化仍面临重大挑战。

目前，对于锂硫电池能量存储机制的认识仍然模糊，尤其在电极与电解质界面上的反应动力学过程。缓慢的反应动力学是阻碍锂硫电池快速充电的主要因素，而活性中心如何保持活性，在电极与电解质界面上催化多硫化锂的转化过程还是一个未解之谜。

针对这一问题，我们的研究团队开始探索传统理论之外的新机制，通过在原子和纳米尺度上研究电极与电解质界面的相互作用，希望能揭示锂硫电池内部反应的真实情况，开启了一场深入探索其科学本质的旅程。

高时空分辨原位透射电子显微镜技术，正是这样一种能实时观测的“超级放大镜”。透射电镜利用电子束作为“照明源”，通过加速和聚焦投射到样品上，电子与样品中的原子发生碰撞并散射，从而产生具有明暗对比的图像。

然而，锂硫电池的界面反应，即电极材料与电解液之间的化学反应极其复杂且难以观察。锂硫电池的工作过程需要在液态环境中进行，同时需要区分多固相和液相反应产物，这对于传统研究方法来说是一个巨大挑战，多硫化锂分子的敏感性使得对这些过程的观察变得更加困难。

为了克服这些难题，在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的基础上，我们的研究团队与多方合作对锂硫电池界面反应过程进行了深入研究。通过对电解液层厚度和氮化硅观察窗口膜厚度的精心设计，优化窗口区域配置，我们的研究团队综合分析了不稳定的多硫化锂、易挥发的电解质等问题，实现了对锂硫电池界面实时反应、原子级可视化，首次发现了锂硫电池电荷储存聚集反应新机制。

这一创新方法为锂硫电池研究带来了突破性进展，直接观察到了锂硫电池中多硫化锂分子在电极表面的聚集和电荷存储过程，揭示了一种全新的电荷存储聚集反应机制。

近百年来，人们通常认为在电化学界面反应仅存在“内球反应”和“外球反应”机制。该电荷存储聚集反应新机制的发现，揭示出电化学界面反应存在第三种界面反应机制。同时，该成果解决了多硫化锂穿梭的起源和演变，及其对电池界面反应动力学影响的长期争论，将以全新角度推动锂硫电池的商业化进程。它不仅为理解电池性能下降提供了新的视角，还为改进电池设计提供了重要的理论支持。

在电荷储存聚集反应新机制的基础上，未来研究将从全新的角度推进锂硫电池电极材料和体系的设计和研发。这不仅有助于提高电池的能量密度和循环稳定性，还将推动快速充电技术发展，从而使锂硫电池更适用于电动汽车和大规模能源存储系统。

（作者周诗远系厦门大学博士生，陈建峰系中国工程院院士、北京化工大学教授，孙世刚系中国科学院院士、厦门大学教授，廖洪钢系厦门大学教授）

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