北京时间9月6日23时，作为合作方之一，北京化工大学陈建峰院士团队与厦门大学化学化工学院廖洪钢教授、孙世刚院士团队，和美国阿贡国家实验室徐桂良、Khalil Amine研究员团队，在国际顶级期刊Nature上发表了题为“Visualizing Interfacial Collective Reaction Behaviour of Li-S Batteries”的最新研究成果。该项成果基于厦门大学研发的高时空分辨电化学原位液相透射电子显微系统（EC-TEM）以及北京化工大学陈建峰院士团队分子化学工程理论模拟方法，对锂硫电池界面反应过程进行了深入研究，首次发现了锂硫电池电荷储存聚集反应新机制。
1.研究背景
在碳达峰碳中和目标的推动下，发展具有高能量密度和储能效率的二次电池体系已经成为当前的研究热点。在原子/分子层次揭示电极和电解质界面的化学反应对于电池设计至关重要。目前对潜在机制的理解主要依赖于经典电化学理论和固/液界面的Gouy-Chapman-Stern（GCS）双电层模型。在此模型中，反应物质扩散到表面并吸附发生电极反应进行转化。然而，电极表/界面发生的电化学反应过程至今尚不明确，就像一个神秘的“黑匣子”。
2.研究成果
锂硫电池具有极高的能量密度（2600 Wh kg–1）和更低的成本，然而受限于传统原位表征工具的时空分辨率的局限和锂硫体系的不稳定性和环境敏感性等挑战，当前仍然缺少原子/纳米尺度上对锂硫电池界面反应的理解。基于自主研发的电化学原位液相透射电镜对锂硫电池界面反应实时动态观测和研究技术，厦大团队发现在锂硫电池中存在着独特的界面反应机制，即在引入金属纳米团簇的表面多硫化锂（LiPSs）多以聚集态出现并能瞬时转变为非平衡态的Li2S纳米晶。这一发现不同于传统的电化学反应过程中LiPSs逐步转化为Li2S2和Li2S的经典途径。
为此，北化团队开展了一系列分子动力学模拟研究，揭示了金属纳米团簇作为活性中心与LiPSs分子之间存在较强的长程静电作用，该界面亲和性的改变可以诱导并富集电解液中的LiPSs形成均布在电极表面的分子聚集体。从头算分子动力学模拟进一步证实LiPSs聚集体内部可以实现集体电荷转移，这为聚集态LiPSs的形成以及瞬时转变为Li2S纳米晶的观测结果提供了理论支持，揭示了金属活性中心介导的锂硫电池电荷储存聚集反应新机制。
图. 理论模拟揭示LiPSs聚集态成因和集体电荷转移行为
3.结论与展望
这项成果发现了锂硫电池全新的界面反应过程。不同于传统GCS模型所涉及的单个分子的扩散、吸附和转化等过程，锂硫电池电荷储存聚集反应新机制从原子/分子尺度揭示了金属活性中心与LiPSs之间的长程相互作用、LiPSs聚集体的形态、集体电荷储存和Li2S瞬时结晶等过程。未来，基于电荷储存聚集反应新机制将从全新角度推进锂硫电池电极材料和体系的设计和研发，促进高比能、高功率、快充锂硫电池的发展。
图. 锂硫电池电荷储存聚集反应新机制（Ⅰ）和传统单分子转化路径（Ⅱ）
4.砥砺创新交叉融合开拓分子化学工程研究范式
北京化工大学陈建峰院士团队长期关注纳微尺度化工过程强化技术研究，近年来更是聚焦分子尺度开展了大量工作。北化在研究生培养中强化工程教育特色，积极探索多学科交叉融合的“化工+”人才培养模式，实施了本硕博贯通的高端工程人才培养计划，该论文的共同第一作者施杰就是北化化工学院的本硕博连读学生。早在六年前，刚进实验室不久的博士生施杰接到了陈老师给出的“分子化学工程若干问题的研究”这一课题，由于当时国际化工领域在分子尺度的研究非常少见，一时间令他很迷茫，找不到研究方向。随着陈老师提出要做从分子到工厂的理论与变革性技术研究，其中的知识断层在哪里？带着对这一问题的思考，施杰在博士期间一步步总结出化学工程中纳微界面亲和性作用理论这一研究方向，并成功将其应用于多个具体的化工课题研究之中。
与厦大结缘是在四年前，双方在这项课题之前就已经合作产生了不少阶段性成果。施杰一直相信分子化学工程理念在电池领域大有可为，当论文的第一作者周诗远带着在Li-S电池中观测到的奇特的聚集体现象交流时，施杰从界面亲和性角度思考，发现引入活性中心带来的电极亲和性改变居然可以诱导强化LiPSs的扩散行为，从而完全改变反应过程，这一下就引起了他浓厚的研究兴趣。在厦大积淀十年研发的原位电镜技术与北化深耕多年的分子化学工程理念的交叉碰撞下，双方很快就打开了LiPSs界面反应过程这一“黑匣子”，揭示了锂硫电池电荷储存聚集反应新机制。
“纳微界面亲和性研究只是分子化学工程的若干问题之一，未来还有更多的路要走。”施杰如是说。
该工作得到国家自然科学基金委“化工纳微尺度过程强化”基础科学中心和基金项目的支持（项目批准号：22288102，22021001，U22A20396， 32101217，21991151，2191150，91934303），及中央高校基本科研业务费专项资金（20720220009）的资助，同时得到了固体表面物理化学国家重点实验室、能源材料化学协同创新中心和嘉庚创新实验室的支持。
该论文的第一作者是厦门大学化学化工学院的博士研究生周诗远，以及北京化工大学的施杰博士。
作者简介：
施杰，中共党员，2017年6月在北京化工大学化学工程学院获化学工程与工艺专业工学学士学位；同年9月免试保送攻读化学工程与技术专业博士学位，导师为陈建峰院士。攻读博士学位期间主要从事化学工程中的纳微界面亲和性作用理论及应用研究，在Nature, AIChE J., Chem. Eng. J., Ind. Eng. Chem. Res., Energy Environ. Sci., Nano Lett.等SCI期刊发表研究论文27篇，其中第一及共一作者8篇，通讯作者1篇。申请国家发明专利5项，已授权1项。