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我国科学家揭示锂硫电池界面层中的三维电化学反应
2026年06月25日 17:41:39
来源：化工仪器网 作者：小王 点击量：5017
近日，厦门大学孙世刚院士、廖洪钢教授团队联合华中科技大学黄云辉教授团队借助自主开发电化学原位液相透射电子显微装置，直接观测到电极 / 电解液界面处由浓度驱动的相分离现象，阐明了界面层中 “表面介导”和“溶液介导”的电荷转移动力学过程，及其调控硫化锂沉积与溶解的微观机制。
锂硫电池是一种由金属锂负极、单质硫正极构建的电池，这种电池的理论能量密度远超锂离子电池，因此长期作为高能量密度二次电池领域的研究重点，受到科学家们的广泛关注。然而在实际应用中，高硫载量、贫电解液的特殊条件下，锂硫电池的内部反应微观机制却始终没有被阐释，这一定程度上也限制了该类电池走向实用化。也正因如此，解析锂硫电池这类电池真实反应界面的反应路径成为了一个重要的研究课题。
而就在近日，厦门大学孙世刚院士、廖洪钢教授团队联合华中科技大学黄云辉教授团队等针对这一问题，获得了突破性成果。该团队借助自主开发电化学原位液相透射电子显微装置，直接观测到电极 / 电解液界面处由浓度驱动的相分离现象。并结合电化学研究和理论计算，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，阐明了界面层中 “表面介导”和“溶液介导”的电荷转移动力学过程，及其调控硫化锂沉积与溶解的微观机制。为深入认识贫电解液条件下锂硫电池的反应本质提供了理论基础，也打开了设计和发展高能量密度、快充锂硫电池体系的重要方向。
在电池体系中, 理想的电极活性材料应具备较好的电子导电性, 使参与氧化还原反应的电子能流畅输入与输出，并遵循反应物扩散到电极表面并快速发生电荷转移的反应过程。然而锂硫电池在高硫载量和贫电解液等接近实用化条件下，贫电解液会显著提高界面处多硫化锂浓度，硫化锂具备绝缘性，充放电过程中硫化锂便会不断沉积和溶解，形成复杂、动态、非均一的界面层，从而使电池的充放电过程不在遵循上述的传统反应过程，并直接限制了其实际的能量密度、快充能力和循环稳定性能。
而研究团队在电化学原位液相透射电子显微镜的帮助下，通过耦合电解液环境和外加电场，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，观测到了在放电过程中，多硫化锂会持续向电极界面富集，高浓度多硫化锂进一步发生相分离，在局部形成高浓度界面层，并在其中形成大量离子团结构。并进一步发现了硫化锂沉积存在两条竞争路径，即“在电极材料—电解液界面上发生的表面介导电荷转移反应与沉积”和“在电解液中发生的溶液介导电荷转移与沉积生长”。
这两种竞争路径带来的结果也完全不同，前者有利于快速成核，后者则能够突破单纯表面反应的限制，可以简单理解成表面介导路径决定硫化锂“从哪里开始长”，溶液介导路径决定硫化锂“能否继续长厚”，平衡两者，便可以改善锂硫电池中硫转化反应的效率和稳定性。而这也同样证明了锂硫电池界面是一个随浓度、结构和电荷转移持续重构的三维动态反应场所。
基于此，研究团队设计了新的电极设计策略，简单来说就是调控多硫化锂浓度、硫含量和电极界面结构，平衡表面介导成核和溶液介导生长之间的关系，确保实现高效硫转化以提升锂硫电池的性能。值得一提的是，团队发现的电解液中直接电子转移及三维电化学反应途径，也为电化学界面相关研究提供了新的思路。
目前相关的成果已经以“Revealing competitive interfacial reactions in high-energy Li–S batteries” 为题发表于 Nature杂志，厦门大学新闻网也就研究的完整内容发布了文章，感兴趣的读者可以自行查阅学习。
本文参考资料来源：厦门大学
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