近日，南京大學現代工程與應用科學學院朱嘉教授課題組在基于等離激元效應的原位探測金屬鋰沉積方面取得重要進展，相關成果以《In operando plasmonic monitoring of electrochemical evolution of lithium metal》為題2018年10月15日發表在PNAS (doi/10.1073/pnas.1808600115)。

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隨著電子便攜設備及電動汽車的迅速發展，研究并開發高能量密度的鋰電池材料尤為關鍵。金屬鋰的理論容量可達商用石墨負極的10倍，從而有望成為下一代儲能器件的負極材料。然而在循環過程中，鋰離子的沉積非常不均勻，會形成金屬鋰枝晶，造成電池的短路和大量的副反應，從而導致循環壽命變短，易引發火災爆炸等安全問題，阻礙了其商業化生產應用。因此，為了解決鋰枝晶的問題，有效并且準確地觀測金屬鋰的沉積過程進而改善電池的性能，顯得尤為關鍵。但是由于金屬鋰化學性質非常活潑，常規的表征方法很難在納米尺度實時探究電池中金屬鋰負極的沉積過程以及形貌演變。

朱嘉教授課題組發展了基于等離激元效應的金屬鋰原位觀測技術。通過電池設計，利用選擇性電化學沉積，通過理論計算與原位實驗建立金屬鋰沉積形貌與反射光譜之間的直接關聯性：在有序金屬鋰顆粒生長的情況下，由于尺寸依賴的局域等離激元共振與wood異常的耦合，反射光譜呈現明顯的反射谷；相反，無序鋰枝晶由于光散射和耦合，具有寬譜的光學吸收特性，致使反射曲線在可見近紅外波段范圍內整體平滑并且反射率低于10%。基于等離激元的原位探測平臺，一方面可以無損的，快速的探測各種情況下（包括不同的電流密度，溫度等）金屬鋰的沉積過程，判斷不同電解液的枝晶抑制效果；另一方面，也能作為電池實際運行過程中鋰枝晶的預警方式，從而提高電池的安全性能。

圖一：原位等離激元探測金屬鋰沉積過程：a，原位探測的裝置示意圖（包括平面電池結構，反射光譜測試），b，鋰金屬沉積過程的兩種形貌演化：周期性鋰顆粒陣列的生長（上圖）和無序鋰枝晶的形成（下圖），c，對應兩種形貌演變的反射光譜：周期性鋰顆粒沉積（上圖）和無序鋰枝晶的形成（下圖）。

課題組博士生金艷為該論文的第一作者，朱嘉教授與周林副教授為論文的通訊作者，該工作得到了佐治亞理工大學Wenshan Cai教授和南京大學張會剛老師幫助和支持，獲得了祝世寧院士的指導與支持。研究得到了國家重點基礎研究計劃，國家自然科學基金委群體及面上項目，中央高校基本科研業務費專項基金，江蘇省優勢學科等項目的支持。（來源：南京大學）