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

【成果簡介】
近日，清華大學(xué)化學(xué)工程系張強教授課題組受邀在國際頂尖期刊Materials Today上發(fā)表了題為“Combining Theory and Experiment in Lithium–Sulfur Batteries: Current Progress and Future Perspectives”的綜述文章。該綜述系統(tǒng)地總結(jié)了理論計算與實驗表征在智能充電機充電鋰硫蓄電池中的綜合應(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驗如何進(jìn)行結(jié)合及其困難，為未來智能充電機充電鋰硫蓄電池及相關(guān)能源儲存與轉(zhuǎn)換領(lǐng)域結(jié)合理論與計算方法，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。張強教授和美國加州大學(xué)伯克利分校材料工程系的Kristin A. 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. 常用計算方法及其在智能充電機充電鋰硫蓄電池中應(yīng)用總結(jié)


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(guān)于理論與實驗關(guān)系的錯誤范例。經(jīng)驗表明需要辯證地看待二者的優(yōu)缺點。


圖 3. 理論與計算在XRD表征方面的結(jié)合
（a）實驗表征及計算模擬所得的Li2S2的XRD圖譜；
（b）Li2S2晶體結(jié)構(gòu)；
（c）實驗與計算所測定的Li2S2晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)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(jié)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(jié)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(jié)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(jié)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(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驗；
（b）相應(yīng)的正極骨架材料與Li2S6分子之間結(jié)合能計算。


圖 8. 理論與計算在核磁表征方面的結(jié)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(jìn)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(qū)體用于智能充電機充電鋰硫蓄電池隔膜及（b）篩選得到的聚合物前驅(qū)體。

【小結(jié)】
由于量子化學(xué)和計算機科學(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)、動力學(xué)等四個方面總結(jié)了理論計算在智能充電機充電鋰硫蓄電池中的應(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驗做好結(jié)合及其困難。最后，本文基于計算化學(xué)發(fā)展前沿，從高精度計算、大尺度模擬、材料基因組、機器學(xué)習(xí)等方面展望了理論和實驗在未來如何更好地合作，解決智能充電機充電鋰硫蓄電池中的關(guān)鍵科學(xué)問題。