鋰硫電池由于具有高理論能量密度、價格低廉和環境友好等特點而被認為是一種理想的下一代儲能器件。目前，理解鋰硫電池中復雜的多電子反應，從而實現高效電池體系的理性設計，往往需要多種科學研究方法的綜合應用。計算化學與計算材料學等方法的興起則為鋰硫電池的研究提供了新的機遇，并已經取得了一些初步的成果。

【成果簡介】

近日，清華大學化學工程系張強教授課題組受邀在國際頂尖期刊MaterialsToday上發表了題為“CombiningTheoryandExperimentinLithium–SulfurBatteries:CurrentProgressandFuturePerspectives”的綜述文章。該綜述系統地總結了理論計算與實驗表征在鋰硫電池中的綜合應用，從X-射線衍射、拉曼光譜、紅外光譜、X-射線吸收光譜、結合能和核磁等方面深入分析了理論與實驗如何進行結合及其困難，為未來鋰硫電池及相關能源儲存與轉換領域結合理論與計算方法，深入揭示其中化學本質提供了重要的指導與研究思路。張強教授和美國加州大學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化學工程系陳翔博士，第二作者為美國加州大學伯克利分校材料工程系侯廷政博士。

【圖文導讀】

圖1.常用計算方法及其在鋰硫電池中應用總結

圖2.理論與實驗之間的典型差異

(a)理論與實驗之間差異的具體實例;

(b)一個關于理論與實驗關系的錯誤范例。經驗表明需要辯證地看待二者的優缺點。

圖3.理論與計算在XRD表征方面的結合

(a)實驗表征及計算模擬所得的Li2S2的XRD圖譜;

(b)Li2S2晶體結構;

(c)實驗與計算所測定的Li2S2晶體結構參數比較(紅色：計算;黑色：實驗)。

圖4.理論與計算在拉曼光譜表征方面的結合

理論計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;實驗測定的(c，d)放電和充電過程中，不同電壓下的原位拉曼光譜。

圖5.理論與計算在紅外光譜表征方面的結合

(a)理論計算的聚乙烯亞胺(PEI)吸附多硫化物前后的紅外光譜;

(b，c)實驗測定的PEI吸附多硫化物前后的紅外光譜。

圖6.理論與計算在X-射線吸收光譜表征方面的結合

(a)理論計算所得多硫化物的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)實驗測定X-射線吸收光譜的三個電壓平臺位置;

(d)實驗測定與計算模擬結果擬合所得X-射線吸收光譜之間比較。

圖7.理論與計算在多硫化物與正極骨架材料相互作用關系表征方面的結合

(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驗;

(b)相應的正極骨架材料與Li2S6分子之間結合能計算。

圖8.理論與計算在核磁表征方面的結合

(a)鋰鍵示意圖;

(b)鋰鍵計算建模;

(c，d)計算與實驗測定的Li2S8和吡啶(PD)分子作用前后的7Li核磁圖譜

圖9.促進理論與計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算;

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

【小結】

由于量子化學和計算機科學的快速發展，理論模擬在化學和材料科學研究中發揮著越來越重要的作用。本綜述從結構、譜學、熱力學、動力學等四個方面總結了理論計算在鋰硫電池中的應用，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驗做好結合及其困難。最后，本文基于計算化學發展前沿，從高精度計算、大尺度模擬、材料基因組、機器學習等方面展望了理論和實驗在未來如何更好地合作，解決鋰硫電池中的關鍵科學問題。