文章概述：

近日，合肥工业大学材料科学与工程学院宋晓辉副教授团队在硫锂化原位表征领域取得重要研究进展。研究利用原位透射电子显微镜（In-situ TEM）系统揭示了高能电子束对硫正极锂化动力学的显著影响，首次观测到在电子束诱导下硫纳米颗粒发生的“爆炸式”锂化现象。相关成果以“Nanoscopic Imaging the Lithiation of Sulfur Nanoparticles under Electron Beam Irradiation”为题发表于国际学术期刊Advanced Science。合肥工业大学为第一通讯单位，材料学院硕士研究生黄锐、北京工业大学张兴宇副教授为共同第一作者，材料学院宋晓辉副教授为唯一通讯作者。

图文导读：

图1.电子束诱导下硫纳米颗粒的锂化动力学行为

研究团队通过原位透射电子显微镜（In-situ TEM）系统探究了电子束辐照对硫锂化动力学的影响，在排除了电化学驱动力干扰后，首次观测到由电子束诱发的“爆炸式”锂化现象。实验表明，在25 °C常温下，电子束产生的局部热效应会促使Li₂O分解产生活性锂，诱发硫纳米颗粒在数秒内发生高达8300%的巨量体积膨胀，其反应速率达到19312 nm² s^-1，这与传统电化学循环中约80%的膨胀率形成了鲜明对比。通过引入原位冷冻电镜（Cryo-TEM）技术，团队发现在-150 °C的极低温环境下，该反应被完全抑制，硫颗粒保持结构稳定，进一步结合分子动力学（MD）模拟证实了热效应而非粒子碰撞是触发该异常锂化行为的主导因素。此外，研究还捕捉到了硫从晶态到非晶态Li₂S的快速相变以及定向空腔形成等特征伪影。这一发现为原位TEM表征建立了关键的“基准线”，对准确区分电池材料本征电化学反应与电子束损伤具有重要的方法论意义，同时也为理解锂硫电池在高能滥用条件下的热失控机制提供了纳米尺度的实验支撑。

图2.硫纳米颗粒在电子束诱导下的形变与相变原位观测

研究团队通过原位透射电子显微镜（In-situ TEM）捕获到了硫纳米颗粒在锂化过程中极具冲击力的动态演变（如图2所示）。实验观测到一种独特的“爆炸式”锂化现象：在常温及电子束辐照驱动下，硫颗粒在短短34秒内发生了高达8300% 的体积巨量膨胀，其反应速率达到19312 nm² s^-1，这与传统电化学循环中约80%的体积变化形成了鲜明对比。通过对动态面积的定量分析，研究人员将这一过程精准划分为初始收缩、早期锂化和最后的爆发性锂化三个阶段。此外，原位成像还揭示了锂化过程具有显著的方向性，在杆状硫颗粒内部观察到了定向空腔的形成与扩展。这一发现不仅揭示了硫纳米颗粒在极端能量刺激下的动力学行为，也为区分原位表征中的本征反应与电子束损伤伪影提供了关键的实验依据。

图3.电子束诱导下硫向硫化锂转变的原子尺度观测

为了进一步从原子尺度揭示反应机理，研究团队利用高分辨透射电子显微镜（HRTEM）对反应界面进行了实时追踪（见图3）。实验直观地记录了硫纳米颗粒在电子束诱导下向硫化锂（Li₂S）转变的动态全过程。原位纳米衍射分析显示，反应初期生成的Li₂S具有明显的晶体结构，但在高能电子束的持续作用下，该产物表现出极高的不稳定性，并在短时间内迅速发生非晶化转变。这一微观层面的发现与宏观上的体积剧变相互印证，不仅证实了电子束可以驱动完整的电化学相变过程，同时也揭示了高能束流对产物结晶度的显著影响。

研究结论：

本研究通过系统性地解耦电子束辐照与本征电化学驱动力，为原位透射电子显微镜在二次电池领域的应用确立了关键的实验“基准线”。研究不仅揭示了硫纳米颗粒在极端能量刺激下高达8300%的“爆炸式”体积演变规律，更通过冷冻电镜技术明确了热效应在其中的主导作用。这一发现提醒科研界在利用原位技术探索锂硫电池反应机制时，必须严谨评估辐照损伤对实验结果的潜在干扰。这不仅为准确理解硫正极的失效机理及热失控机制提供了纳米尺度的理论支撑，也为未来开发高稳定性、全天候工作的先进储能系统提供了重要的设计范式与方法论参考。该工作得到了合肥工业大学人才启动计划、中央高校基本科研业务费、国家自然科学基金、安徽省重点研发计划及安徽省自然科学基金等项目的支持。同时，本研究获得了合肥原位科技有限公司在焦耳热实验设计方面的支持。本研究依托合工大分析测试中心的电镜平台，充分发挥了团队在多学科交叉、结构原位表征与材料机制研究方面的优势。

论文信息：

Nanoscopic Imaging the Lithiation of Sulfur Nanoparticles under Electron Beam Irradiation

Rui Huang, Xingyu Zhang, Xingqi Liao, Ruilin Bai, Xianqi Wu, Junlei Xiang, Sheng Cheng, Yifan Zhang, Jing Wang, Hongfa Xiang, Juyeong Kim, Qiaobao Zhang, Yu Yao, Xiaohui Song

Advanced Science

DOI:10.1002/advs.202519640

原文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202519640

期刊介绍：

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