由于消費電子產品、電動汽車和電網存儲的迅速普及，市場上對高能密度和低成本的鋰離子電池的需求量很大。在鋰電池的所有潛在陽極中，金屬鋰被認為是最終候選。然而，在使用金屬鋰作為陽極時，在全電池配置中平衡負/正容量（即N/P比）是麻煩的，因為鋰陽極和商用陰極之間的面積容量存在巨大差異，100微米厚的鋰箔容量為20 mAh cm-2，而商用陰極的容量為3-4 mAh cm-2。
為了克服挑戰，通過增加厚度來提高陰極的面積比容量似乎是一種潛在的方法，然而，這會導致陰極阻抗的迅速增加和電池性能的快速惡化。另一種方式是使用薄鋰箔（約15微米）作為陽極。不幸的是，目前可用的商用鋰金屬箔通常非常厚（約50-100微米）。這導致鋰嚴重過剩，這不僅意味著N/P比不平衡，還意味著鋰利用率相當低，加劇了鋰資源的浪費。
除了用作陽極外，鋰箔還用于預鋰化陽極（例如硅），這需要精確的鋰補償能力。然而，厚厚的鋰箔很難定制和分散，這極易導致不均勻和局部過度的預鋰化。有鑒于此，為了應用方便和電池成本，開發超薄鋰金屬是當務之急，也是非常有價值的。
到目前為止，減薄鋰箔的常見工業技術通常涉及機械軋制等物理方法。然而，由于變形時無限制的位錯運動，金屬鋰的粘性和機械裁剪性差，為通過軋制制造獲得超薄鋰箔帶來了巨大的障礙。因此，商用軋制鋰箔的厚度通常從50微米到數百微米不等。鋰箔的進一步減薄需要更精確的軋制設備和高度準確的控制系統，這將大大增加生產成本。另一方面，電化學沉積似乎是在導電襯底上制備微米薄的鋰層的可行方法，但它的質量，如厚度、均勻性、平坦性、緊湊性，受到電解池配置、電解質配方、支撐襯底材料和操作參數等復雜因素的強烈影響。因此，到目前為止，這種方法在實驗室一級的學術研究仍然有限。
近日，華中科技大學李會巧教授等人在Nano Letters上發表文章，Facile, Atom-Economic, Chemical Thinning Strategy for Ultrathin Lithium Foils，提出了一種簡單、高效、原子經濟的化學法減薄鋰箔技術，能夠獲得可定制厚度的鋰箔，同時能夠循環利用，該技術有望在工業上大規模生產超薄鋰箔。
詳細地說，作者使用萘/DME溶液作為化學減薄溶液，將萘/DME溶液噴灑在Li箔表面，與厚厚的金屬鋰自發反應，該過程是通過鋰和萘之間的路易斯酸堿反應來降低鋰的厚度。溶解的Li原子以Li-萘復合物的形式與稀釋溶液一起流走，最終留下越來越薄的金屬箔。
經過減薄過程，獲得的鋰箔厚度可以小于15微米，表面干凈光滑，化學法減薄后的鋰箔能夠去除表面的氧化層，并且能夠降低表面粗糙度，減小鋰金屬的阻抗，有助于電池循環過程中的鋰溶解和沉積。這種具有快速、可控反應速率的簡單固液反應過程具有良好的減薄參數可調性，這種方法可通過工業化的卷對卷鋰箔生產工藝調整而進行，適用于超薄鋰箔的連續規模化生產。
此外，在稀釋過程中獲得的液體鋰-萘/DME溶液具有類似于金屬鋰的高還原能力，從而可以進一步用作具有巨大價值的多功能副產品，例如用于鋰離子電池中硅、硬碳、硫電極的預鋰化和改善PVDF等高分子材料的表面潤濕性。最終廢物溶液中所含的鋰離子也可以通過鈉鹽交換以碳酸鋰的形式回收，從而在這種化學稀釋方法中實現了超薄鋰箔制備的卓越鋰原子經濟性。
圖1. （a）使用常規鋰箔的金屬鋰電池中不平衡N/P比示意圖。(b)計算不同厚度的鋰箔的材料成本和鋰箔利用率。(c)萘/二甲醚溶液減薄法制備超薄鋰箔工藝示意圖。(d)原始鋰箔和薄鋰箔的表面形貌比較
圖2. (a)典型減薄條件下，減薄過程中Li箔的光學顯微圖像。(b)不同條件下減薄過程中鋰箔厚度的變化。(c)不同減薄條件下的平均減薄速率。(d)超薄鋰箔的卷對卷減薄過程示意圖
圖3. (a)從Li-Naph（萘）/DME溶液中提取鋰的示意圖。(b,c)減薄過程中獲得的新鮮的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在提鋰過程后的碳酸鋰沉淀照片。(f)提取的碳酸鋰的XRD譜圖
圖4. 超薄鋰箔生產全過程的鋰原子經濟循環鏈示意圖
總之，作為一項概念驗證研究，作者提出了一種低成本、可擴展和可持續制備超薄鋰箔的新策略。可以通過調整試劑的濃度、反應溫度和操作模式來控制鋰箔產品的減薄速率和厚度，為按需定制生產顯示出很高的靈活性。除了超薄鋰箔產品外，剩余的副產品也具有良好的應用價值，廢物溶液中的鋰資源可以很容易地回收，表現出卓越的原子經濟性。該工作為獲得超薄鋰箔提供了先進的策略，為金屬鋰陽極在未來高能密度電池中的實際應用鋪平了道路。
李會巧，教授，博士生導師，教育部新世紀優秀人才，湖北省楚天學者特聘教授。主要從事鋰/鈉離子電池、超級電容器及其相關電極材料和儲能器件的研究。申請日本專利2項，中國專利7項，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)等國際期刊上發表論文80余篇，其中第一/通訊作者36篇，受邀為Adv. Mater., Chem. Commun.等知名期刊撰寫綜述或者專題文章，應邀為英文學術專著(John Wiley出版社)撰寫納米電極材料相關章節1章。目前所有論文被SCI引用3200余次，其中他引超過3000次，H因子為25, 5篇文章被選為ESI高被引文章，5篇文章被引用超過200次，8篇文章單篇引用超過100次，17篇文章的單篇引用超過50次，5篇文章被選為封面文章。2013年獲得第十七次全國電化學大會優秀論文獎，先后主持國家自然科學基金青年基金、面上基金、科技部青年973計劃項目等，主持經費超過400萬。目前的研究興趣為新型能源材料的制備、儲能器件的設計及電化學性能研究。
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
原創文章，作者：v-suan，如若轉載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2023/10/15/e6f14504bb/
