2023年度“中国科学十大进展”
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发现锂硫电池界面电荷存储聚集反应新机制
全新角度推进锂硫电池电极材料和体系的设计和研发
锂硫电池（Li-S）具有极高的能量密度（2600 Wh kg–1）和较低的成本，然而受到传统表征工具的局限和Li-S体系的不稳定性等挑战，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。
Li-S电池在反应过程中，将硫转化为一系列具有可变链长的锂多硫化物（LiPSs）。Li-S电池的容量主要由可溶性Li2S6到固态Li2S的反应贡献。在这个过程中，LiPSs的高溶解度和Li2S2/Li2S的绝缘特性会导致活性材料持续损失以及容量持续衰减。目前，已经提出了许多策略来提升Li-S电池的能量密度和循环稳定性，但背后的基本原理仍然不清楚。例如，阻碍快速充电Li-S电池的缓慢反应动力学的速率限制步骤是什么？活性中心如何保持活性以在电极-电解质界面上催化LiPSs
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。
锂硫电池是锂电池的一种
目前尚处于科研阶段。锂硫电池是以硫元素作为电池正极,金属锂作为负极的一种锂电池。单质硫在地球中储量丰富，具有价格低廉、环境友好等特点。利用硫作为正极材料的锂硫电池，其材料理论比容量和电池理论比能量较高，分别达到 1675m Ah/g 和 2600Wh/kg ，远远高于商业上广泛应用的钴酸锂电池的容量（小于150mAh/g）。
锂硫电池主要存在三个主要问题：
1、锂多硫化合物溶于电解液；
2、硫作为不导电的物质，导电性非常差，不利于电池的高倍率性能；
3、硫在充放电过程中，体积的扩大缩小非常大，有可能导致电池损坏。
主要的解决方法从电解液和正极材料两个方面入手。第一是电解液方面，主要用醚类的电解液作为电池的电解液，电解液中加入一些添加剂，可以非常有效的缓解锂多硫化合物的溶解问题。第二是正极材料方面，主要是把硫和碳材料复合，或者把硫和有机物复合，可以解决硫的不导电和体积膨胀问题。
近几十年来，为了提高活性物质硫的利用率，限制多硫化锂的溶解以及电池循环性能差的问题，研究者在电解质及复合正极材料改性等方面进行了大量探索研究。对于电解质的改性，主要是采用固体电解质、凝胶电解质或在电解液中添加LiNO3离子液体等措施，以限制电极反应过程中产生的多硫化锂溶解和减小“飞梭效应”，提高了活性物质硫的利用率，从而达到改善锂硫电池的循环性能的目的。对于硫基复合正极材料的改性，主要是将具有良好导电性能及特定结构的基质材料与单质硫复合制备高性能的硫基复合正极材料
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