实验室通过电镀法制备出空气中稳定的锂球

近日，亚稳材料国家重点实验室清洁纳米能源研究中心黄建宇教授课题组通过电镀法在球差校正环境透射电镜中制备出可在空气中稳定的金属锂球，该成果近期以“Air stable lithium spheres produced by electrochemical plating”为题发表在Angew. Chem.Int.Ed.(10.1002/anie.201807355)上。

金属锂（Li）是锂电池理想负极材料的“圣杯”，具有极高的理论比容量（3860 mAh g^-1）。然而，金属锂非常活泼，暴露于空气中易燃烧和爆炸，难以管理和运输。黄建宇老师课题组采用电镀法制备出可在空气中稳定放置的金属锂球。为研究其微观形成机理，在一种在CO₂气氛条件下的球差校正环境透射电子显微镜中，运用电化学沉积制备空气稳定锂球（ASLSs）的方法制备出一个纳米电池，在施加电压之后，原位制备出具有Li₂CO₃/Li核壳结构的ASLSs。

环境电镜中电镀法制备ASLSs的实验装置示意图

文章介绍了ASLSs的核心为金属锂，外壳为14-80 nm厚的锂与CO₂电化学反应产物Li₂CO₃。当放置在空气环境中时，ASLSs不与空气中的水等反应并维持其稳定的核壳结构。此外，ASLSs可以作为一个锂离子电池中的负极，表现出和金属锂相似的电化学性质，表明其表面的Li₂CO₃层是良好的锂离子导体。ASLSs的空气稳定性归因于表面的Li₂CO₃层，它几乎不溶于水，在室温下与空气中的氧气和氮气均不反应，从而钝化锂核。这些结果表明，相比于纯金属锂箔电极，ASLSs可能提供更加安全和稳定的锂负极，具有重要的潜在应用价值。

研究背景

金属锂（Li）具有非常高的理论比容量3860 mAh g^-1，使金属锂负极材料在新一代高能量密度电池和能量存储装置中具有巨大的应用前景。与锂箔相比，锂离子电池若用压制锂粉末负极可使其在充放电时真实电流密度减小，有效地减少锂枝晶的形成。然而，由于金属锂易与电解质或空气形成固体电解质界面（SEI）或氢氧化锂（LiOH）和氧化锂（Li₂O），纯金属锂粉末暴露于电解质或空气时是极不稳定和不安全的，这会使在运输和应用过程中产生严重的安全问题。因此，锂电池通常需在高纯度惰性气体环境下的手套箱中进行组装，成本昂贵且不便于处理。制备出生产安全且易于操作的稳定锂粉末电极材料对于提高金属锂电池的安全性，效率，降低装载和加工的成本是非常重要的。目前，大家普遍采用HF、碘化物、苯、有机物化合物和石蜡等添加剂及包覆层使锂电极稳定。近期研究发现以Li₂CO₃包覆金属Li负极组装的Li-O₂电池在空气环境中亦具有良好的循环性能，然而其微观反应机理尚不清楚。为了验证Li₂CO₃包覆金属Li具有良好的空气稳定性，我们应用球差校正环境电子显微镜（ETEM，FEI Titan G2），在二氧化碳气氛条件下采用电镀法原位制备出空气稳定的Li球。