中國粉體網(wǎng)訊 9月6日，廈門大學廖洪鋼教授、孫世剛院士，與北京化工大學陳建峰院士，美國阿貢國家實驗室徐桂良、Khalil Amine研究員團隊合作，在國際頂級學術期刊Nature雜志上發(fā)表了題為“Visualizing Interfacial Collective Reaction Behaviour of Li-S Batteries”的最新研究成果。該項成果基于自主研發(fā)建立的高時空分辨電化學原位液相透射電子顯微系統(tǒng)(EC-TEM)，對鋰硫電池界面反應過程進行了深入研究，首次發(fā)現(xiàn)了鋰硫電池電荷儲存聚集反應新機制。
同期，Nature 還以Research Briefing形式對該成果進行了科普性報道。
《自然》雜志副主編Yohan Dall’Agnese評價該工作：
這篇論文很引人注目，因為作者揭示了鋰硫電池中一個完全意想不到的儲能機制�？紤]到這種類型的電池已經(jīng)被廣泛研究了幾十年，這是一個極為罕見的情況。這些觀察結果得益于令人印象深刻的高分辨率原位透射電子顯微鏡的發(fā)展，它們將有助于改進下一代電池。
同行專家對這項工作高度評價：
這項工作填補了如何將高能量、低成本鋰硫電池商業(yè)化的巨大知識空白。作者的成像結果解決了關于多硫化物穿梭效應的起源和演化，以及這些電池中界面反應的緩慢動力學的長期爭論，并證實了電極表面結構對這些過程的影響。該結果對于電池和電子顯微鏡研究都具有重要意義。
重要發(fā)現(xiàn)：鋰硫電池電荷儲存聚集反應行為
研究團隊發(fā)現(xiàn)在鋰硫電池中存在著獨特的界面反應機制，即引入金屬納米團簇活性中心的表面誘導多硫化鋰（LiPSs）集聚和電荷儲存，導致從LiPSs富集相瞬時轉變?yōu)榉瞧胶鈶B(tài)的Li2S納米晶。這一發(fā)現(xiàn)不同于傳統(tǒng)的電化學反應過程，后者遵循LiPSs逐步轉化為Li2S2和Li2S的經(jīng)典途徑。分子動力學模擬證實了活性中心與LiPSs分子之間的長程靜電作用導致界面分子聚集體的形成以及電極界面的集體電子轉移。
重大意義：鋰硫電池電荷儲存聚集反應新機制
這項成果發(fā)現(xiàn)了鋰硫電池全新的界面反應過程。不同于傳統(tǒng)GCS模型所涉及的單個分子的擴散、吸附和轉化等過程，鋰硫電池電荷儲存聚集反應新機制從原子/分子尺度揭示了金屬活性中心與LiPSs之間的長程相互作用、LiPSs聚集體的形態(tài)、集體電荷儲存和Li2S瞬時結晶等過程。
未來，基于電荷儲存聚集反應新機制將從全新角度推進鋰硫電池電極材料和體系的設計和研發(fā)，促進高比能、高功率、快充鋰硫電池的發(fā)展。這一在鋰硫電池體系中觀察到的集體電子轉移反應行為最近也在其他電化學體系中觀察到。
走近廖洪鋼和他的科研世界
廖洪鋼，廈門大學化學化工學院教授、博士生導師、福建閩江學者特聘教授。主要研究方向包括原位電鏡設備研發(fā)、原位液體透射電鏡技術應用等。長期致力于開展原位液體透射電鏡的原創(chuàng)性研究，并運用該技術實現(xiàn)了高分辨率的實時原位觀察納米晶體在溶液中的成核生長及形貌演變過程。
他的研究成果多次發(fā)表在Science、Nature等國際頂尖學術刊物上，被報道和評論為“塑造納米晶體的未來”“顛覆了一百多年來對晶體生長規(guī)律的認知”“新機制助力下一代電池研發(fā)”。
廖洪鋼：如果想造船，就應該先激發(fā)自己對大海的渴望
每天像上了發(fā)條的機器一樣早起投入科研;為了觀測到某個實驗現(xiàn)象不分晝夜地在小黑屋里做實驗;步入前無古人的原位電鏡領域，頂著巨大的壓力摸黑探索，甘坐多年冷板凳……當被問到多年來支撐自己在科研道路上行而不輟的動力時，這位剛從實驗室的忙碌中抽身出來、還來不及擦汗的教授笑著說道：“內驅力是一個人前進的發(fā)動機”。
廖洪鋼在實驗室工作中
“我想證明我所看到的�！弊畛跻I廖洪鋼走上原位電鏡這個前沿研究領域的，僅僅是這樣一個簡單的念頭。彼時還在廈大化院讀研究生的他，在納米材料合成研究中觀察到了納米顆粒長成的不同形貌——一會兒是一顆五角星，一會兒又可以是一朵花�？蒲械娜肟诔３１唤o予一個奇妙的命名——好奇心，懷著探索未知的本能，廖洪鋼和同學用電子顯微鏡去拍攝納米材料的形狀，發(fā)表論文試圖去澄清其中的機制，引來了意料之中如浪潮般的否定與質疑。
“任何極具創(chuàng)新性的研究的早期，都是很難被理解的”。廖洪鋼在回憶研究初期遭到的困難與質疑時，有些無奈地笑笑，但眼神卻是發(fā)亮的。因為彼時那些反對和質疑的聲音并沒有打擊到他的科研熱情，反而激發(fā)了他揭示這些物質合成機制的動力。當時，世界上甚至還沒有一個叫原位電鏡的領域可以去實現(xiàn)這個過程，但科研的熱情被年少的沖動點燃，此后經(jīng)年執(zhí)著燃燒，逐漸長成了他心里一座不眠的火山。
廈門大學研究團隊合影（前排左一為孫世剛，左二為廖洪鋼）
扛著“博士可能畢不了業(yè)”的沉重壓力，廖洪鋼和團隊數(shù)十年如一日聚焦原位電鏡技術開發(fā)，破除種種技術障礙，開展從0到1的探索，開拓并實現(xiàn)了將光、電、熱、力等外場引入原位/工況高時空分辨研究，并在化學、材料科學、生命科學等領域得到廣泛應用。
參考來源：化學與材料科學、廈門大學、固體表面物理化學國家重點實驗室
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/昧光）
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