揭秘锂电池中催化电极的工作过程

锂硫电池因其高达1675 mAh g⁻¹的理论容量而备受关注，但其实际应用受限于硫化锂（Li2S）在纳米尺度上的反应机制不明确。本文通过原位原子力显微镜（AFM）技术，首次直观揭示了Li2S在催化电极上的沉积与转化过程，为高性能锂硫电池的设计提供了关键科学依据。

研究人员采用铂（Pt）修饰的电极作为催化表面，对比了非催化电极（如石墨）上的Li2S沉积行为。结果显示，在非催化电极上，Li2S以二维层状结构沉积，而在铂催化电极上则形成三维球形纳米团簇。这种形态差异直接影响电池的反应效率和可逆性。进一步分析表明，催化表面上的Li2S沉积遵循零级反应动力学，即反应速率恒定，不受反应物浓度变化影响，这与非催化电极上的一级动力学显著不同。

实验还发现，Li2S的成核与生长过程受过电位调控。在较低过电位下，成核是逐步发生的，导致Li2S分布不均；而随着过电位增加至约80毫伏，成核趋于瞬时发生，形成均匀分布的Li2S颗粒。这种均匀分布不仅提升了硫的利用率，还显著增强了后续充电过程中Li2S的可逆溶解能力，减少了电极表面钝化和容量衰减。

此外，研究模拟了高多硫化物浓度（对应高硫负载）的实际工况。结果表明，当多硫化物浓度过高时，催化活性位点容易被快速覆盖而失活，导致Li2S聚集形成大块层状结构，反应偏离零级动力学，电池性能下降。这说明仅增加硫负载而不优化界面反应调控，难以实现长循环稳定性。

本研究通过高时空分辨率的原位观测，明确了Li2S转化的关键影响因素：过电位、催化活性位点数量及其分布。研究指出，要实现高效、可逆的锂硫电池，必须协同优化催化剂设计与反应条件，确保Li2S均匀成核与生长。这一成果不仅深化了对锂硫电池反应机理的理解，也为下一代高能量密度储能系统的开发提供了重要指导。