李会巧Nano Lett.：脑洞大开，化学法制造超薄锂负极<15 um！

研究背景

由于消费电子产品、电动汽车和电网存储的迅速普及，市场上对高能密度和低成本的锂离子电池的需求量很大。在锂电池的所有潜在阳极中，金属锂被认为是最终候选。然而，在使用金属锂作为阳极时，在全电池配置中平衡负/正容量（即N/P比）是麻烦的，因为锂阳极和商用阴极之间的面积容量存在巨大差异，100微米厚的锂箔容量为20 mAh cm^-2，而商用阴极的容量为3-4 mAh cm^-2。

为了克服挑战，通过增加厚度来提高阴极的面积比容量似乎是一种潜在的方法，然而，这会导致阴极阻抗的迅速增加和电池性能的快速恶化。另一种方式是使用薄锂箔（约15微米）作为阳极。不幸的是，目前可用的商用锂金属箔通常非常厚（约50-100微米）。这导致锂严重过剩，这不仅意味着N/P比不平衡，还意味着锂利用率相当低，加剧了锂资源的浪费。

除了用作阳极外，锂箔还用于预锂化阳极（例如硅），这需要精确的锂补偿能力。然而，厚厚的锂箔很难定制和分散，这极易导致不均匀和局部过度的预锂化。有鉴于此，为了应用方便和电池成本，开发超薄锂金属是当务之急，也是非常有价值的。

到目前为止，减薄锂箔的常见工业技术通常涉及机械轧制等物理方法。然而，由于变形时无限制的位错运动，金属锂的粘性和机械裁剪性差，为通过轧制制造获得超薄锂箔带来了巨大的障碍。因此，商用轧制锂箔的厚度通常从50微米到数百微米不等。锂箔的进一步减薄需要更精确的轧制设备和高度准确的控制系统，这将大大增加生产成本。另一方面，电化学沉积似乎是在导电衬底上制备微米薄的锂层的可行方法，但它的质量，如厚度、均匀性、平坦性、紧凑性，受到电解池配置、电解质配方、支撑衬底材料和操作参数等复杂因素的强烈影响。因此，到目前为止，这种方法在实验室一级的学术研究仍然有限。

研究成果

近日，华中科技大学李会巧教授等人在Nano Letters上发表文章，Facile, Atom-Economic, Chemical Thinning Strategy for Ultrathin Lithium Foils，提出了一种简单、高效、原子经济的化学法减薄锂箔技术，能够获得可定制厚度的锂箔，同时能够循环利用，该技术有望在工业上大规模生产超薄锂箔。

详细地说，作者使用萘/DME溶液作为化学减薄溶液，将萘/DME溶液喷洒在Li箔表面，与厚厚的金属锂自发反应，该过程是通过锂和萘之间的路易斯酸碱反应来降低锂的厚度。溶解的Li原子以Li-萘复合物的形式与稀释溶液一起流走，最终留下越来越薄的金属箔。

经过减薄过程，获得的锂箔厚度可以小于15微米，表面干净光滑，化学法减薄后的锂箔能够去除表面的氧化层，并且能够降低表面粗糙度，减小锂金属的阻抗，有助于电池循环过程中的锂溶解和沉积。这种具有快速、可控反应速率的简单固液反应过程具有良好的减薄参数可调性，这种方法可通过工业化的卷对卷锂箔生产工艺调整而进行，适用于超薄锂箔的连续规模化生产。

此外，在稀释过程中获得的液体锂-萘/DME溶液具有类似于金属锂的高还原能力，从而可以进一步用作具有巨大价值的多功能副产品，例如用于锂离子电池中硅、硬碳、硫电极的预锂化和改善PVDF等高分子材料的表面润湿性。最终废物溶液中所含的锂离子也可以通过钠盐交换以碳酸锂的形式回收，从而在这种化学稀释方法中实现了超薄锂箔制备的卓越锂原子经济性。

图文详情

图1. （a）使用常规锂箔的金属锂电池中不平衡N/P比示意图。(b)计算不同厚度的锂箔的材料成本和锂箔利用率。(c)萘/二甲醚溶液减薄法制备超薄锂箔工艺示意图。(d)原始锂箔和薄锂箔的表面形貌比较

图2. (a)典型减薄条件下，减薄过程中Li箔的光学显微图像。(b)不同条件下减薄过程中锂箔厚度的变化。(c)不同减薄条件下的平均减薄速率。(d)超薄锂箔的卷对卷减薄过程示意图

图3. (a)从Li-Naph（萘）/DME溶液中提取锂的示意图。(b,c)减薄过程中获得的新鲜的Li-Naph/DME溶液和失活的Li-Naph/DME溶液的照片。(d,e)失活的Li-Naph/DME在提锂过程后的碳酸锂沉淀照片。(f)提取的碳酸锂的XRD谱图

图4. 超薄锂箔生产全过程的锂原子经济循环链示意图

总结展望

总之，作为一项概念验证研究，作者提出了一种低成本、可扩展和可持续制备超薄锂箔的新策略。可以通过调整试剂的浓度、反应温度和操作模式来控制锂箔产品的减薄速率和厚度，为按需定制生产显示出很高的灵活性。除了超薄锂箔产品外，剩余的副产品也具有良好的应用价值，废物溶液中的锂资源可以很容易地回收，表现出卓越的原子经济性。该工作为获得超薄锂箔提供了先进的策略，为金属锂阳极在未来高能密度电池中的实际应用铺平了道路。

作者简介

李会巧，教授，博士生导师，教育部新世纪优秀人才，湖北省楚天学者特聘教授。主要从事锂/钠离子电池、超级电容器及其相关电极材料和储能器件的研究。申请日本专利2项，中国专利7项，在Chem. Soc. Rev. (1), Prog. Mater. Sci. (1), Energy Environ. Sci. (1篇), Adv. Mater. (8篇), Adv. Funct. Mater. (8篇)，Adv. Energy Mater.(2篇), J. Am. Chem. Soc.(1篇)，Angew. Chem. In. Ed. (1篇)，Chem. Commun. (7篇)，J. Mater. Chem. (10篇), Small (2篇)，Nanoscale(3篇)，J. Power Sources (3篇)，Carbon (3篇), ChemSusChem (2篇), Electrochim. Acta (5篇)等国际期刊上发表论文80余篇，其中第一/通讯作者36篇，受邀为Adv. Mater., Chem. Commun.等知名期刊撰写综述或者专题文章，应邀为英文学术专著(John Wiley出版社)撰写纳米电极材料相关章节1章。目前所有论文被SCI引用3200余次，其中他引超过3000次，H因子为25, 5篇文章被选为ESI高被引文章，5篇文章被引用超过200次，8篇文章单篇引用超过100次，17篇文章的单篇引用超过50次，5篇文章被选为封面文章。2013年获得第十七次全国电化学大会优秀论文奖，先后主持国家自然科学基金青年基金、面上基金、科技部青年973计划项目等，主持经费超过400万。目前的研究兴趣为新型能源材料的制备、储能器件的设计及电化学性能研究。

奖励和荣誉

2015年，湖北省“楚天学者计划”特聘教授；

2014年，“华中学者”晨星岗；

2013年，教育部新世纪优秀人才支持计划；

2013年，第十七次全国电化学大会优秀论文奖。

原文链接

Facile, Atom-Economic, Chemical Thinning Strategy for Ultrathin Lithium Foils. Nano Lett. 2022, XXXX, XXX, XXX-XXX

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c00338

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李会巧Nano Lett.：脑洞大开，化学法制造超薄锂负极<15 um！

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