24 июня из Сямэньского университета стало известно, что команда академика Сунь Шигана и профессора Ляо Хунгана совместно с командой профессора Хуан Юньхуэя из Хуачжунского университета науки и технологии, используя самостоятельно разработанную электрохимическую установку для in situ жидкофазной просвечивающей электронной микроскопии, впервые наблюдала явление фазового разделения, вызванное концентрацией на границе раздела электрод/электролит, и раскрыла закономерности формирования и эволюции высококонцентрированного слоя полисульфида лития на границе раздела в литий-серных батареях. Это открытие предоставляет новую теоретическую основу для разработки и создания литий-серных батарей с высокой плотностью энергии и возможностью быстрой зарядки. Соответствующие результаты недавно были опубликованы в журнале Nature.
Литий-серные батареи являются важным классом аккумуляторов следующего поколения с высокой удельной энергией. Однако в условиях высокой загрузки серы и обедненного электролита, приближенных к реальному применению, микроскопические механизмы внутренних реакций трудно наблюдать и объяснять, что долгое время ограничивало повышение плотности энергии, скорости зарядки и циклической стабильности батарей. Данное исследование преодолело ограничения традиционных методов наблюдения и, с помощью электрохимической in situ жидкофазной просвечивающей электронной микроскопии, позволило получить высокоразрешающую динамическую визуализацию в реальном времени наноразмерных граничных реакций в литий-серных батареях.
Исследование показало, что в процессе разряда полисульфид лития непрерывно накапливается на границе раздела электрода и подвергается фазовому разделению, образуя высококонцентрированный граничный слой, богатый ионными кластерами. Это создает два пути осаждения сульфида лития: первый — реакция переноса заряда и осаждение на поверхности электрода, второй — перенос заряда и рост осадка в электролите. Оба пути совместно определяют эффективность и стабильность реакции превращения серы в литий-серных батареях.
На основе этих открытий команда предложила оптимизационную схему для материаловедческого дизайна и управления границей раздела в высокоэнергетических и быстрозаряжаемых литий-серных батареях. Схема заключается в разумном регулировании концентрации полисульфида лития, содержания серы и структуры границы раздела электрода для установления баланса между поверхностно-опосредованным зародышеобразованием и растворно-опосредованным ростом, что позволяет достичь эффективного превращения серы и повысить производительность литий-серных батарей.
Данное исследование раскрыло загадку формирования слоя осадка сульфида лития микронной толщины в литий-серных батареях и предоставило новую научную основу для проектирования накопителей энергии следующего поколения с высокой плотностью энергии, быстрой зарядкой и длительным сроком службы.