在全球積極追求“碳中和”目標(biāo)的大背景下，發(fā)展高效能源存儲技術(shù)已成為科技發(fā)展重點。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)品已對社會生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，尤其在電動汽車和移動電子設(shè)備等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。然而，人們常常會對這些電池的續(xù)航時間感到焦慮，一直在尋求更長時間電量續(xù)航和在更小質(zhì)量下存儲更多能量。這就需要開發(fā)更為先進的電池體系。

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，鋰硫電池從實驗室到市場的轉(zhuǎn)化仍面臨重大挑戰(zhàn)。

目前，對于鋰硫電池能量存儲機制的認(rèn)識仍然模糊，尤其在電極與電解質(zhì)界面上的反應(yīng)動力學(xué)過程。緩慢的反應(yīng)動力學(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)化過程還是一個未解之謎。

針對這一問題，我們的研究團隊開始探索傳統(tǒng)理論之外的新機制，通過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)的真實情況，開啟了一場深入探索其科學(xué)本質(zhì)的旅程。

高時空分辨原位透射電子顯微鏡技術(shù)，正是這樣一種能實時觀測的“超級放大鏡”。透射電鏡利用電子束作為“照明源”，通過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。鋰硫電池的工作過程需要在液態(tài)環(huán)境中進行，同時需要區(qū)分多固相和液相反應(yīng)產(chǎn)物，這對于傳統(tǒng)研究方法來說是一個巨大挑戰(zhàn)，多硫化鋰分子的敏感性使得對這些過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，我們的研究團隊與多方合作對鋰硫電池界面反應(yīng)過程進行了深入研究。通過對電解液層厚度和氮化硅觀察窗口膜厚度的精心設(shè)計，優(yōu)化窗口區(qū)域配置，我們的研究團隊綜合分析了不穩(wěn)定的多硫化鋰、易揮發(fā)的電解質(zhì)等問題，實現(xiàn)了對鋰硫電池界面實時反應(yīng)、原子級可視化，首次發(fā)現(xiàn)了鋰硫電池電荷儲存聚集反應(yīng)新機制。

這一創(chuàng)新方法為鋰硫電池研究帶來了突破性進展，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過程，揭示了一種全新的電荷存儲聚集反應(yīng)機制。

近百年來，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)”機制。該電荷存儲聚集反應(yīng)新機制的發(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)機制。同時，該成果解決了多硫化鋰穿梭的起源和演變，及其對電池界面反應(yīng)動力學(xué)影響的長期爭論，將以全新角度推動鋰硫電池的商業(yè)化進程。它不僅為理解電池性能下降提供了新的視角，還為改進電池設(shè)計提供了重要的理論支持。

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

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