▲共同第一作者：Fang Liu, Geng Sun
共同通訊作者：Yunfeng Lu, Philippe Sautet, Bruce S. Dunn, Ge Wang.論文DOI：https://doi-org.stanford.idm.oclc.org/10.1038/s41467-020-19070-8隨著便攜的電子設備及電動汽車的快速發展，人們對高能量密度的電池需求越來越大。在傳統鋰離子電池之外，硫被認為是最有前途的電極候選材料之一，因為它具有高理論能量密度、環保和低成本的特性。然而，鋰-硫電池電化學反應中涉及多種中間產物，其相互轉化的機理極其復雜，現有實驗和理論模擬方法都難以解釋電化學反應路徑和機理的所有細節。而且，這些多硫化物的電化學反應動力學十分緩慢，這直接導致了電池的輸出功率和能量密度的降低。近日，加州大學洛杉磯分校盧云峰教授團隊系統地研究了各種硫中間體的電子和幾何結構，并比較了其絕對軌道能量來揭示它們在電池中的反應活性，以及推測導致緩慢反應的結構來源。作者指出，在高溶劑化水平的情況下(x=6)、Li2Sn種類以鏈狀結構出現；在低溶劑化水平下，鋰離子可以與中間的硫原子結合以實現它們優選的高配位數，形成環結構。同時，Li2S6溶液的磁矩與LiS4和LiS3自由基之間的關系非常接近，表明與它們的溶劑化狀態無關，說明了表明了溶液中自由基的存在以及從Li2S6與LiS4和LiS3之間的放能分解。▲圖1. 硫化物中間體的電子和幾何結構。圖片來源：Nat. Comm.
通過解耦加速充放電過程的矛盾要求，他們選擇了兩種贗電容氧化物作為電子離子源和漏極，分別實現了電子/Li+與硫中間體之間的高效反應。實驗證實摻入雙氧化物后，硫電極的電化學動力學顯著加快。這種策略將快速電化學反應與自發化學反應相結合，繞過緩慢電化學反應途徑的限制，提供了加速電化學反應的解決方案，為高能電池系統的發展提供了新的視角。▲圖2. 硫化物中間體和雙氧化物之間電子轉移過程分析及電化學表征。圖片來源：Nat. Comm.
盧云峰 (Yunfeng Lu)，加州大學洛杉磯分校化學與生物分子工程系教授。博士就讀于新墨西哥大學化學工程專業，師從C. Jeffrey Brinker。在2005 年同時獲得總統科學家和工程師早期職業獎(Presidential Early Career Awards for Scientists and Engineers )；美國能源部早期職業科學家和工程師獎 (Early Career Scientist and Engineer Awards, Department of Energy)；美國化學會聯合利華獎 (Unilever Award, American Chemical Society, Division of Colloid and Surface Chemistry)。研究方向：能源存儲及轉化; 藥物遞送及納米醫學。https://samueli.ucla.edu/people/yunfeng-lu/Philippe Sautet， 加州大學洛杉磯分校化學系及化學與生物分子工程系教授。1989年在法國的巴黎奧賽大學(Paris-Orsay University) 獲得博士學位，并在里昂大學(Lyon 1 University)任教和研究。他曾經擔任法國國家科研中心(CNRS)主任，里昂化學研究所所長，里昂高等師范學校 (ENS) 研究小組特別主任等。2010年當選法國科學院院士，2011年獲得法國騎士勛章，法國化學會皮埃爾·蘇 (Pierre Sue) 大獎和CNRS銀牌。研究方向： 理論表面化學以及非均相和電催化領域。https://www.chemistry.ucla.edu/node/3134劉芳(Fang Liu)，2012年本科畢業于吉林大學化學學院高分子工程專業，2018年博士畢業于加州大學洛杉磯分校化學與生物分子工程系，博士期間多次獲得獎學金(Graduate Division Fellowship, ARCO Fellowship, Dissertation Year Fellowship)。2019至今在斯坦福大學材料科學與工程系從事博士后研究。研究方向：納米材料，能源存儲、轉化及回收。 孫耿(Geng Sun), 2011，2016年在北京大學化學與分子工程學院分別獲得化學學士、物理化學博士學位。目前在加州大學洛杉磯分校化學與生物分子工程系從事博士后研究。研究方向：氧化物和金屬團簇催化的第一性原理模擬和設計。
