刘树平，徐正龙, Nano Letters：解锁液态硫化学以实现快速充电锂硫电池

第一作者：师芳仪

通讯作者：刘树平 *，徐正龙*

单位：香港理工大学

相比于锂离子电池，锂硫电池具有突出的理论容量以及较低的原料成本，有希望成为下一代商用级别的可充电电池。近年来，单质硫以液态的形势在充电过程中出现吸引了研究者们的注意。但关于液态硫的研究是非常有限的，液态硫还存在很多待需解决的问题。本文旨在概述近期关于液态硫的研究工作，通过观察硫在石墨烯基底上的形成和转化过程，深入探讨液态硫与固态硫之间的联系。此外，我们发现通过改变电流的大小会影响液态硫形成的数量和形貌，但相应的容量却可以保持一致。基于这一发现，我们提出液态硫有利于实现快速充电锂硫电池，并在支持液态硫生成的正极材料上观察到锂硫电池的快充行为。

近日，来自于香港理工大学的刘树平与徐正龙教授，在国际知名期刊Nano Letters上发表题为“Unlocking Liquid Sulfur Chemistry for Fast-Charging Lithium–Sulfur Batteries”的观点文章。该文章深刻探讨在充电过程中液态硫在锂硫电池里的角色，并且提出利用液态硫的重塑性实现快速充电锂硫电池。

通过原位光学电池，我们观察了硫在单层石墨烯上的生成和生长并且通过原位拉曼确定了硫的不同物理形态。液态硫首先在单层石墨烯上生成，随着充电过程的进行，固态硫出现并且在充电末期不再有液态硫保留。

液态硫的生成与生长，液态硫到固态硫的转化，固态硫的生长动力学被讨论来探究液态硫和固态硫的关系。液态硫尺寸生长到~5.5 μm-6 μm在石墨烯基底上会遇见生长瓶颈。固态硫的出现将会导致充电产物的二次生长。同时根据热力学定律，我们讨论了亚稳态的液态硫最后都会转化为固态硫。

固态硫在石墨烯上以两种形式存在，第一种是在石墨烯基底上直接形成的固态硫呈现出单晶结构。第二种是由液态硫转化而来的固态硫呈现出多晶的结构。冷冻电镜确认了两种固态硫的不同晶体结构。且拥有针状结构的单晶固态硫出现了（002）的择优生长面。

改变电流大小，来观察液态硫在不同充电倍率下的形成与长大。硫液滴的生成数量和电流大小呈现出正相关性，形成的尺寸和电流呈现出负相关性，但在不同的电流大小下，充电容量可以保持一致说明容量对电流的不敏感性。

通过构建三维无粘结剂的正极材料载体，实现高倍率充电下的卓越容量保持。在0.1C放电速率下以及不同倍率充电情况下，该正极表现出出色的容量保持率。而且，即使在高负载条件下，正极仍然表现出卓越的快充性能。

Unlocking Liquid Sulfur Chemistry for Fast-Charging Lithium–Sulfur Batteries

刘树平(Shu Ping Lau)教授，香港理工大学应用物理系系主任，讲席教授，材料表征与器件制造实验室主任。近年来一直从事低维纳米功能材料与器件领域的研究工作，并在二维光电探测器，光电量子点及能源转化与存储器件领域有独创性的成果。以第一或通讯作者在Science, Nature Communication, Angewandte Chemie International Edition等发表超过350篇学术论文，出版专著4部，H指数74，总引用次数23200+（google scholar）。

徐正龙， 香港理工大学工业与系统工程系教授，博士生导师，主要致力于先进储能材料和器件的设计和制造（如：可充放电电池体系），基于原位表征手段（如：原位透射电子显微镜，同步辐射等）对电化学储能体系的基本原理的研究。徐教授2012年本科毕业于浙江大学，并于2016年取得香港科技大学机械工程博士学位，2020年加入香港理工大学工业与系统工程系。目前以第一和通讯作者在 Nature Communications, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Energy Environmental Science, Progress in Materials Science 等国内外一流期刊上发表论文40余篇。

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