在全球積極追求“碳中和”目標(biāo)的大背景下，發(fā)展高效能源存儲(chǔ)技術(shù)已成為科技發(fā)展重點(diǎn)。在眾多新型綠色能源技術(shù)中，以鋰離子電池為代表的產(chǎn)品已對(duì)社會(huì)生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，尤其在電動(dòng)汽車(chē)和移動(dòng)電子設(shè)備等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。然而，人們常常會(huì)對(duì)這些電池的續(xù)航時(shí)間感到焦慮，一直在尋求更長(zhǎng)時(shí)間電量續(xù)航和在更小質(zhì)量下存儲(chǔ)更多能量。這就需要開(kāi)發(fā)更為先進(jìn)的電池體系。

作為一種新興能源技術(shù)，鋰硫電池因其高能量密度和環(huán)境友好型而備受關(guān)注。然而，盡管具備多種優(yōu)勢(shì)，鋰硫電池從實(shí)驗(yàn)室到市場(chǎng)的轉(zhuǎn)化仍面臨重大挑戰(zhàn)。

目前，對(duì)于鋰硫電池能量存儲(chǔ)機(jī)制的認(rèn)識(shí)仍然模糊，尤其在電極與電解質(zhì)界面上的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程。緩慢的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)是阻礙鋰硫電池快速充電的主要因素，而活性中心如何保持活性，在電極與電解質(zhì)界面上催化多硫化鋰的轉(zhuǎn)化過(guò)程還是一個(gè)未解之謎。

針對(duì)這一問(wèn)題，我們的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)始探索傳統(tǒng)理論之外的新機(jī)制，通過(guò)在原子和納米尺度上研究電極與電解質(zhì)界面的相互作用，希望能揭示鋰硫電池內(nèi)部反應(yīng)的真實(shí)情況，開(kāi)啟了一場(chǎng)深入探索其科學(xué)本質(zhì)的旅程。

高時(shí)空分辨原位透射電子顯微鏡技術(shù)，正是這樣一種能實(shí)時(shí)觀測(cè)的“超級(jí)放大鏡”。透射電鏡利用電子束作為“照明源”，通過(guò)加速和聚焦投射到樣品上，電子與樣品中的原子發(fā)生碰撞并散射，從而產(chǎn)生具有明暗對(duì)比的圖像。

然而，鋰硫電池的界面反應(yīng)，即電極材料與電解液之間的化學(xué)反應(yīng)極其復(fù)雜且難以觀察。鋰硫電池的工作過(guò)程需要在液態(tài)環(huán)境中進(jìn)行，同時(shí)需要區(qū)分多固相和液相反應(yīng)產(chǎn)物，這對(duì)于傳統(tǒng)研究方法來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)，多硫化鋰分子的敏感性使得對(duì)這些過(guò)程的觀察變得更加困難。

為了克服這些難題，在自主研發(fā)建立的高時(shí)空分辨電化學(xué)原位液相透射電子顯微系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，我們的研究團(tuán)隊(duì)與多方合作對(duì)鋰硫電池界面反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行了深入研究。通過(guò)對(duì)電解液層厚度和氮化硅觀察窗口膜厚度的精心設(shè)計(jì)，優(yōu)化窗口區(qū)域配置，我們的研究團(tuán)隊(duì)綜合分析了不穩(wěn)定的多硫化鋰、易揮發(fā)的電解質(zhì)等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋰硫電池界面實(shí)時(shí)反應(yīng)、原子級(jí)可視化，首次發(fā)現(xiàn)了鋰硫電池電荷儲(chǔ)存聚集反應(yīng)新機(jī)制。

這一創(chuàng)新方法為鋰硫電池研究帶來(lái)了突破性進(jìn)展，直接觀察到了鋰硫電池中多硫化鋰分子在電極表面的聚集和電荷存儲(chǔ)過(guò)程，揭示了一種全新的電荷存儲(chǔ)聚集反應(yīng)機(jī)制。

近百年來(lái)，人們通常認(rèn)為在電化學(xué)界面反應(yīng)僅存在“內(nèi)球反應(yīng)”和“外球反應(yīng)”機(jī)制。該電荷存儲(chǔ)聚集反應(yīng)新機(jī)制的發(fā)現(xiàn)，揭示出電化學(xué)界面反應(yīng)存在第三種界面反應(yīng)機(jī)制。同時(shí)，該成果解決了多硫化鋰穿梭的起源和演變，及其對(duì)電池界面反應(yīng)動(dòng)力學(xué)影響的長(zhǎng)期爭(zhēng)論，將以全新角度推動(dòng)鋰硫電池的商業(yè)化進(jìn)程。它不僅為理解電池性能下降提供了新的視角，還為改進(jìn)電池設(shè)計(jì)提供了重要的理論支持。

在電荷儲(chǔ)存聚集反應(yīng)新機(jī)制的基礎(chǔ)上，未來(lái)研究將從全新的角度推進(jìn)鋰硫電池電極材料和體系的設(shè)計(jì)和研發(fā)。這不僅有助于提高電池的能量密度和循環(huán)穩(wěn)定性，還將推動(dòng)快速充電技術(shù)發(fā)展，從而使鋰硫電池更適用于電動(dòng)汽車(chē)和大規(guī)模能源存儲(chǔ)系統(tǒng)。

（作者周詩(shī)遠(yuǎn)系廈門(mén)大學(xué)博士生，陳建峰系中國(guó)工程院院士、北京化工大學(xué)教授，孫世剛系中國(guó)科學(xué)院院士、廈門(mén)大學(xué)教授，廖洪鋼系廈門(mén)大學(xué)教授）