金屬鋰、金屬鈉等活性堿金屬因具有較高比容量在高能量密度電池領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。實(shí)現(xiàn)金屬鋰/鈉大規(guī)模可持續(xù)制造、運(yùn)輸和儲存的關(guān)鍵在于其空氣穩(wěn)定性。然而，一個有趣且常見的現(xiàn)象是金屬鋰在干燥空氣中穩(wěn)定金屬鈉的物理性質(zhì)，而金屬鈉不穩(wěn)定。對此現(xiàn)象的通常解釋是鈉比鋰更容易失去電子，但是，具體的化學(xué)鈍化機(jī)制尚不清楚。對該現(xiàn)象的理解有助于對初始電極固體電解質(zhì)界面（SEI）、金屬-氣體電池中的氣體交叉反應(yīng)等復(fù)雜效應(yīng)的正確解釋，且能夠?qū)钚越饘俚目沙掷m(xù)防腐提供行之有效的策略。為解析鋰和鈉金屬的空氣穩(wěn)定性差異，中國科學(xué)院物理研究所研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合燕山大學(xué)和德國馬普所等團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了多種原位顯微技術(shù)和非原位表面分析技術(shù)表征，并結(jié)合熱力學(xué)和動力學(xué)計(jì)算，從宏觀到微觀尺度對氣固反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行實(shí)時原位觀察研究，全方面剖析鋰/鈉與環(huán)境氣體之間腐蝕反應(yīng)的物理化學(xué)過程。 研究發(fā)現(xiàn)，鋰和鈉在干燥空氣中的穩(wěn)定性差異源于它們表面上致密的Li2O和不均勻的Na2O/Na2O2層，這是由氧化反應(yīng)中不同的熱力學(xué)和動力學(xué)過程引起的。研究認(rèn)為，該化學(xué)穩(wěn)定性的差異可能更多來源于界面而非體相，糾正了以往普遍認(rèn)知。該工作還首次在鈉-干燥空氣系統(tǒng)中觀察到Kirkendall效應(yīng)和Ostwald Ripening現(xiàn)象。

考慮到Li-O2和Na-CO2體系是擴(kuò)散控制反應(yīng)，而Na-O2和Li-CO2體系是界面控制反應(yīng)，通過CO2預(yù)鈍化方法構(gòu)建碳酸鹽界面可進(jìn)一步限制其動力學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)金屬鈉在干燥空氣中耐腐蝕性的大幅度提升。單純的堿金屬-環(huán)境氣體化學(xué)反應(yīng)常常被忽視，該研究利用環(huán)境透射電子顯微鏡內(nèi)搭建的固態(tài)電池原位生長了純凈的金屬鋰/鈉金屬鈉的物理性質(zhì)，因此可以真實(shí)反映化學(xué)反應(yīng)過程，確保觀察的可靠性。關(guān)于堿金屬界面的新理解也提升了電池堿金屬負(fù)極利用的安全性和可持續(xù)性。研究中對氧化物、過氧化物、碳酸鹽的詳細(xì)分析（形貌特征、結(jié)晶性、擴(kuò)散特性等）有助于了解實(shí)際電池系統(tǒng)中SEI的生長過程以及孔隙率，以實(shí)現(xiàn)可控的鋰和鈉界面化學(xué)，為實(shí)現(xiàn)高度可逆金屬氣體電池的保護(hù)或催化劑設(shè)計(jì)提供了新思路。相關(guān)研究成果發(fā)表在《美國化學(xué)學(xué)會志》（Journal of the American Chemical Society）上。上述研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，國家自然科學(xué)基金，中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會和河北省自然科學(xué)基金的支持。論文鏈接圖1 在干燥空氣中對金屬鋰/鈉的微米級別界面表征圖2 在干燥空氣中對金屬鋰/鈉的微米級別界面表征圖3 理論模擬輔助理解鋰/鈉-干燥空氣反應(yīng)機(jī)制圖4 CO2預(yù)鈍化技術(shù)實(shí)現(xiàn)耐腐蝕的金屬鈉負(fù)極