但有一个问题：化学反应，特别是硫还原反应，非常复杂且不易被理解，并且不希望的副反应可能会比传统电池早早终止电池的寿命。

化学家破译了可以改进锂硫电池的反应过程

现在，由加州大学洛杉矶分校化学家XiangfengDuan和PhilippeSautet领导的研究人员已经破译了这一反应的关键途径。这些发现发表在《自然》杂志上的一篇论文中，将有助于微调反应以提高电池容量和寿命。

锂硫电池中的硫还原反应涉及16个电子，在催化反应网络中将八原子硫环分子转化为硫化锂，该催化反应网络具有许多交织的分支和称为多硫化锂的不同中间产物和许多其他副产物。

由于这是一个如此复杂的反应，有许多路径相互分支，并且有许多对于继续反应很重要的中间产物，因此很难研究，甚至更难找出反应的哪些部分以提高电池性能为目标。

通讯作者、加州大学洛杉矶分校化学和生物化学教授段说：“尽管人们为提高锂硫电池的表观性能做出了广泛的努力，但基本的反应机制仍然悬而未决。”“硫还原反应的反应网络中的主要分支仍然是一个备受争议的话题。”

特别令人感兴趣的一个问题是副反应，其中多硫化物中间体迁移(称为穿梭)到锂金属阳极并与其反应，消耗硫和锂，导致能量损失和存储容量迅速降低。清楚地识别关键中间体并更好地了解这些中间体是如何生产或消耗的将有助于科学家控制电极之间的迁移并最大限度地减少硫和锂的浪费。

这项新研究首次破译了整个反应网络，确定了主要分子途径，并揭示了电催化在改变反应动力学中的关键作用。

该团队首先使用理论计算来绘制所有可能的反应途径和相关中间体，然后通过电化学和光谱分析来验证计算结果。

电池性能主要由作为主要中间体的Li2S4决定，而催化对于将Li2S4完全转化为最终放电产物(Li2S)至关重要。掺杂硫和氮的碳基电极可以有效促进这种转化。

他们的研究还发现，中间体Li2S6不直接参与电化学过程，而是作为副化学反应的主要产物存在，并且对不需要的多硫化物穿梭效应有显着影响。

“我们的研究提供了对锂硫电池中硫还原反应的基本了解，并表明正确设计的催化电极材料可以加速充电和放电反应，减轻副反应并提高循环寿命，”段说。December被美国国家发明家学院选为2023年度院士。

“电池技术和催化科学的结合为快速、高容量的能量转换设备开辟了新途径，”LeviJamesKnight,Jr.卓越任期主席Sautet说。

这项工作得到了推进可充电装置跨长度尺度综合控制中心的支持，该中心是一个由美国能源部科学办公室基础能源科学计划资助的能源前沿研究中心。