锂硫电池由于其较高的理论比能量和较低的成本而被视为下一代锂电池。锂硫电池中元素态硫S8的熔点为 115°C，室温下一般以固态形式存在。而近期有研究指出，在电化学电池中，元素硫能够在过冷条件下保持液态。有鉴于此，斯坦福大学崔屹教授课题组通过原位研究，考察了液态硫可能对锂硫电池产生的影响。通过进行电化学生成硫的原位研究，研究人员发现在相同的充电时间段内，液体（过冷）和固体单质硫的面容量具有极大差异。为了控制硫的物理状态，研究人员探索了硫在二维层状材料上的生长。研究发现，当二维层状材料较厚时，表面形成液态硫，边缘生成固态硫。DFT计算表明，这是因为S8和MoS2基底之间的结合力只有0.64 eV，这种弱的结合力赋予界面不可润湿性，使得异相成核受到阻碍，从而确保硫在过冷情况下的液态。当施加电压时，MoS2边缘处具有更高的电场强度，降低了异质成核阻碍，促进了元素硫的产生和局部硫的过饱和，从而驱动硫从边缘润湿和结晶。而当二维层状材料较薄时，譬如单层状态下，无论是边缘还是表面都只会生产液态硫，这可能是因为单层厚度不足以支撑成核的发生。这项研究系统研究了二维材料上不同物理状态的硫的生长行为，并研究了硫的物理状态与面容量的关系，为锂硫电池的设计开发提供了新的认知。
Ankun Yang et al. Electrochemical generation of liquid and solid sulfur on two-dimensional layered materials with distinct areal capacities, Nature Nanotechnology, 2020.
DOI: 10.1038/s41565-019-0624-6
