鋰硫電池由于具有高理論能量密度、價(jià)格低廉和環(huán)境友好等特點(diǎn)而被認(rèn)為是一種理想的下一代儲(chǔ)能器件。目前，理解鋰硫電池中復(fù)雜的多電子反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)高效電池體系的理性設(shè)計(jì)，往往需要多種科學(xué)研究方法的綜合應(yīng)用。計(jì)算化學(xué)與計(jì)算材料學(xué)等方法的興起則為鋰硫電池的研究提供了新的機(jī)遇，并已經(jīng)取得了一些初步的成果。

【成果簡(jiǎn)介】

近日，清華大學(xué)化學(xué)工程系張強(qiáng)教授課題組受邀在國(guó)際頂尖期刊MaterialsToday上發(fā)表了題為“CombiningTheoryandExperimentinLithium–SulfurBatteries:CurrentProgressandFuturePerspectives”的綜述文章。該綜述系統(tǒng)地總結(jié)了理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)表征在鋰硫電池中的綜合應(yīng)用，從X-射線衍射、拉曼光譜、紅外光譜、X-射線吸收光譜、結(jié)合能和核磁等方面深入分析了理論與實(shí)驗(yàn)如何進(jìn)行結(jié)合及其困難，為未來鋰硫電池及相關(guān)能源儲(chǔ)存與轉(zhuǎn)換領(lǐng)域結(jié)合理論與計(jì)算方法，深入揭示其中化學(xué)本質(zhì)提供了重要的指導(dǎo)與研究思路。張強(qiáng)教授和美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校材料工程系的KristinA.Persson教授為本文的(共同通訊)作者，第一作者為清華大學(xué)化學(xué)工程系陳翔博士，第二作者為美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校材料工程系侯廷政博士。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1.常用計(jì)算方法及其在鋰硫電池中應(yīng)用總結(jié)

圖2.理論與實(shí)驗(yàn)之間的典型差異

(a)理論與實(shí)驗(yàn)之間差異的具體實(shí)例;

(b)一個(gè)關(guān)于理論與實(shí)驗(yàn)關(guān)系的錯(cuò)誤范例。經(jīng)驗(yàn)表明需要辯證地看待二者的優(yōu)缺點(diǎn)。

圖3.理論與計(jì)算在XRD表征方面的結(jié)合

(a)實(shí)驗(yàn)表征及計(jì)算模擬所得的Li2S2的XRD圖譜;

(b)Li2S2晶體結(jié)構(gòu);

(c)實(shí)驗(yàn)與計(jì)算所測(cè)定的Li2S2晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)比較(紅色：計(jì)算;黑色：實(shí)驗(yàn))。

圖4.理論與計(jì)算在拉曼光譜表征方面的結(jié)合

理論計(jì)算的四氫呋喃溶液中：(a，b)多硫離子和多硫自由基的拉曼光譜;實(shí)驗(yàn)測(cè)定的(c，d)放電和充電過程中，不同電壓下的原位拉曼光譜。

圖5.理論與計(jì)算在紅外光譜表征方面的結(jié)合

(a)理論計(jì)算的聚乙烯亞胺(PEI)吸附多硫化物前后的紅外光譜;

(b，c)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的PEI吸附多硫化物前后的紅外光譜。

圖6.理論與計(jì)算在X-射線吸收光譜表征方面的結(jié)合

(a)理論計(jì)算所得多硫化物的S的K-邊X-射線吸收光譜;

(b)LiS3的X-射線吸收光譜具體分析;

(c)實(shí)驗(yàn)測(cè)定X-射線吸收光譜的三個(gè)電壓平臺(tái)位置;

(d)實(shí)驗(yàn)測(cè)定與計(jì)算模擬結(jié)果擬合所得X-射線吸收光譜之間比較。

圖7.理論與計(jì)算在多硫化物與正極骨架材料相互作用關(guān)系表征方面的結(jié)合

(a)一系列正極骨架材料吸附電解液中多硫化物的可視化實(shí)驗(yàn);

(b)相應(yīng)的正極骨架材料與Li2S6分子之間結(jié)合能計(jì)算。

圖8.理論與計(jì)算在核磁表征方面的結(jié)合

(a)鋰鍵示意圖;

(b)鋰鍵計(jì)算建模;

(c，d)計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)定的Li2S8和吡啶(PD)分子作用前后的7Li核磁圖譜

圖9.促進(jìn)理論與計(jì)算未來合作的努力方向

(a)Li2S2/DOL:DME和(b)(Li2S2+LiTFSI)/DOL:DME電解液體系的大尺度模擬計(jì)算;

(c)通過材料基因組篩選聚合物前驅(qū)體用于鋰硫電池隔膜及(b)篩選得到的聚合物前驅(qū)體。

【小結(jié)】

由于量子化學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的快速發(fā)展，理論模擬在化學(xué)和材料科學(xué)研究中發(fā)揮著越來越重要的作用。本綜述從結(jié)構(gòu)、譜學(xué)、熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)等四個(gè)方面總結(jié)了理論計(jì)算在鋰硫電池中的應(yīng)用，并從XRD、拉曼、紅外、X-射線吸收光譜、核磁等方面具體分析了理論如何與實(shí)驗(yàn)做好結(jié)合及其困難。最后，本文基于計(jì)算化學(xué)發(fā)展前沿，從高精度計(jì)算、大尺度模擬、材料基因組、機(jī)器學(xué)習(xí)等方面展望了理論和實(shí)驗(yàn)在未來如何更好地合作，解決鋰硫電池中的關(guān)鍵科學(xué)問題。