近日，现代工程与应用科学学院朱嘉教授课题组在基于等离激元效应的原位探测金属锂沉积方面取得重要进展，相关成果以《In operando plasmonic monitoring of electrochemical evolution of lithium metal》为题2018年10月15日发表在PNAS (doi/10.1073/pnas.1808600115)。
随着电子便携设备及电动汽车的迅速发展，研究并开发高能量密度的锂电池材料尤为关键。金属锂的理论容量可达商用石墨负极的10倍，从而有望成为下一代储能器件的负极材料。然而在循环过程中，锂离子的沉积非常不均匀，会形成金属锂枝晶，造成电池的短路和大量的副反应，从而导致循环寿命变短，易引发火灾爆炸等安全问题，阻碍了其商业化生产应用。因此，为了解决锂枝晶的问题，有效并且准确地观测金属锂的沉积过程进而改善电池的性能，显得尤为关键。但是由于金属锂化学性质非常活泼，常规的表征方法很难在纳米尺度实时探究电池中金属锂负极的沉积过程以及形貌演变。
朱嘉教授课题组发展了基于等离激元效应的金属锂原位观测技术。通过电池设计，利用选择性电化学沉积，通过理论计算与原位实验建立金属锂沉积形貌与反射光谱之间的直接关联性：在有序金属锂颗粒生长的情况下，由于尺寸依赖的局域等离激元共振与wood异常的耦合，反射光谱呈现明显的反射谷；相反，无序锂枝晶由于光散射和耦合，具有宽谱的光学吸收特性，致使反射曲线在可见近红外波段范围内整体平滑并且反射率低于10%。基于等离激元的原位探测平台，一方面可以无损的，快速的探测各种情况下（包括不同的电流密度，温度等）金属锂的沉积过程，判断不同电解液的枝晶抑制效果；另一方面，也能作为电池实际运行过程中锂枝晶的预警方式，从而提高电池的安全性能。
图一：原位等离激元探测金属锂沉积过程：a，原位探测的装置示意图（包括平面电池结构，反射光谱测试），b，锂金属沉积过程的两种形貌演化：周期性锂颗粒阵列的生长（上图）和无序锂枝晶的形成（下图），c，对应两种形貌演变的反射光谱：周期性锂颗粒沉积（上图）和无序锂枝晶的形成（下图）。
课题组博士生金艳为该论文的第一作者，朱嘉教授与周林副教授为论文的通讯作者，该工作得到了佐治亚理工大学Wenshan Cai教授和南京大学张会刚老师帮助和支持，获得了祝世宁院士的指导与支持。研究得到了国家重点基础研究计划，国家自然科学基金委群体及面上项目，中央高校基本科研业务费专项基金，江苏省优势学科等项目的支持。
文章链接：www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1808600115
（现代工程与应用科学学院 科学技术处）