2020年11月28日，中科院化学所辛森研究员应邀到访中科院物理所长三角研究中心（简称“中心”）和天目湖先进储能技术研究院（简称“研究院”），进行学术交流。

28日上午，辛森研究员在研究院作了题为《锂-硫电池内的界面化学研究》的专题报告。此次报告为“天目湖物理科学讲坛”系列讲座之七。该系列报告旨在邀请电化学领域知名专家到访溧阳，与中心、研究院、天目先导、中科海钠及其他企事业单位的博士、硕士、工程师及相关研发人员一起共同探讨学术研究成果、促进交流；进一步提升溧阳在储能领域的影响力及竞争力。

辛森研究员在本次报告中针对锂硫电池的固-液界面电化学不稳定这一难题，阐述了如何构筑电化学稳定的固-固界面，以实现防止多硫化物溶解穿梭、促进界面载流子输运、稳定正极体相结构等目的，报告主要从构筑固态界面的三个主要思路展开，分别为限域电化学反应、原位凝胶化电解质和硫化物基全固态电池。

限域电化学反应的主要研究对象为正极材料，助力电化学理论研究的深入。辛森研究员首先介绍了微孔、介孔、大孔材料的典型代表和主要功能，指出使用多孔导电基底是提高硫正极循环性能的重要策略之一。直径2-3nm的介观碳棒可以通过缓释作用减缓硫正极的溶解，同时共价键消除了碳纳米结构单元间的界面电阻，提供了可以长程传输的载流子。此外，用作全碳集流体时无需使用粘结剂和导电添加剂，有利于提高全电池能量密度。在此基础上，将碳纳米管的横向尺寸延长至约100μm，则其平行排列形成的介孔孔道可实现活性物质的大量负载和空间限域。对硫的同素异形体进行分子尺寸计算，可知小分子硫（S2-S4）为链状，尺寸＜0.5nm，还原产物难溶；大分子硫（S5-S8）为环状，尺寸＞0.5nm，还原产物易溶。为避免硫正极容量损失，应设法避免小分子硫产生高阶多硫化物。而锂离子的溶剂化半径约为0.4nm。因此，通过亚纳米孔道空间限域可实现去溶剂化和亚稳态短链小硫分子的筛选和稳定化，进而提升锂-硫电池的循环稳定性。沿这一思路探究碱金属离子对限域反应的影响，正极选用相比硫的原子半径更大的硒，进而将限域反应推广到锂-硒电池和钠-硒电池体系，实现了非常规长链硒分子的空间限域制备，构建了高比能的锂（钠）-硒二次电池。进一步地，将空间限域电化学应用到锂-碲电池和钠-硒电池，均能使其电化学反应的稳定性显著提高，证明了这一策略的有效性和普适性。

原位凝胶化电解质和硫化物基全固态电池的主要研究对象为电解质，有助于理论研究，并具备应用开发的前景。原位凝胶化电解质的具有高模量、高室温离子电导、稳定电化学窗口，自适应正负极界面，成本低、可放大制备，聚合前体浸润性良好，对金属锂负极有保护作用，且电池化成中有良好的温度耐受性等诸多优点，因而得到广泛应用。在正极侧，将LiPF6负载在隔膜上，锂盐缓释溶解形成梯度浓度，利用固化界面将多硫化物阻隔在正极，进而提升电池循环性能。在负极侧，平面锂金属负极存在枝晶生长严重、体积变化大、沉积形貌不均匀、难以形成稳定SEI等问题。3D锂负极能改善上述问题，但因固态电解质缺乏流动性，而难以将结构化金属锂集成到固态体系中并保持良好的界面接触。鉴于此，辛森研究员通过阳离子开环聚合反应，将液体电解液用原位凝胶化电解质封装在预载锂的Li/CF结构中，因电解液良好的浸润性和流动性而实现了负极体积变化时电极表面的连续离子接触。同时，具有蓄液能力的凝胶可随锂沉积/剥离导致体积变化时调节电极内部液体电解液的供应。电化学性能测试结果表明，三维Li/CF阳极与原位聚合凝胶电解质相结合的一体化设计可以有效解决固体锂金属电池中大量锂枝晶生成、锂体积变化和不连续的界面接触问题。

石榴石型陶瓷电解质具有高离子电导率、高离子迁移数、宽电化学窗口、高剪切模量、高致密度等优势，是当下研究的热点，但其在空气暴露条件下形成会含锂污染物且难以去除、再次空气暴露后极易再生、对锂浸润性差而引发枝晶生长等。辛森研究员提出了一个有效的平面金属锂负极|陶瓷电解质界面设计，即利用NH4F在中等温度下（＜180℃）与LLZTO表面的LiOH、Li2CO3等含锂污染物反应，转化生成纳米LiF界面层，既增加了稳定性，又能防止枝晶产生。该界面层有以下优点：表面疏水，空气暴露下不反应；电子电导低，阻止枝晶形核；界面能和体积模量高，防止枝晶贯穿； Li+表面扩散势垒低，促进均匀沉积。这一界面设计能显著提升金属锂负极工作的临界电流密度和循环性能，且空气暴露后不易再生成含锂污染物。

辛森研究员深入浅出地讲解了锂硫电池中的基础科学问题和界面优化策略，使在场听众获益良多。报告结束后，听众们纷纷向辛森研究员提问交流，辛森研究员一一作答。本次讲座在一片掌声中结束。

报告人简介：辛森，中科院化学所研究员、博士生导师，国家海外高层次引进人才。2013年于中科院化学所获理学博士学位，2015-2019年于美国德州大学奥斯汀分校从事博士后研究，2019年起加入中科院化学所分子纳米实验室。近几年研究主要集中在金属二次电池电极反应过程和储能电化学，固态电池关键材料和电极-电解质表界面化学，以及先进碳基功能复合材料的结构设计与制备等方面。作为项目（课题）负责人承担科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金面上项目，国家海外高层次人才引进计划等。已发表专著论文3篇，在Science、J. Am. Chem.Soc.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Natl. Sci. Rev.、Sci. China. Chem.等SCI期刊上发表论文>110篇，论文总被引>12000次，h指数为56，连续入选2019和2020年度科睿唯安“全球高被引科学家”。申请PCT国际专利4项和中国发明专利14项，并在中国、日本、美国等多个国家获得授权。受邀担任《中国科学：化学》、《中国化学快报》和《稀有金属》期刊青年编委以及MDPI出版社《Energies》期刊编委。