本公开总体上涉及一种具有特定性质的高纯度锂金属膜。更具体地说，本公开涉及具有受控的厚度和形态的高纯度锂金属膜。高纯度锂金属膜具有10nm至数百微米的厚度以及选自平滑膜、纳米粒和纳米棒的形态。
背景技术：
锂金属由于其高理论比容量(3860mah/g)、低密度(0.59g/cm3)和低的负还原电位(-3.040对比she)而是一种有前途的高能量密度电池阳极材料。锂金属已常规地用于一次电池中，而二次电池则典型地使用嵌锂石墨阳极。用锂金属代替这种石墨阳极可以提供在电池的能量密度方面的大幅提高，这是因为锂金属的理论容量是石墨的十倍高。
然而，安全问题、可循环性差和寿命短已限制了锂金属在当前的其中阳极的循环是必要的二次电池应用中的使用。这些问题主要是由于锂金属的纯度不足(基础金属的含量方面，在空气中与锂形成氮化物和氧化物的反应方面，以及与杂质有关的其他问题)以及锂金属表面上的枝晶的形成。这些问题可以通过使用带有平滑、均匀、无枝晶且无锂夹杂物的高纯度锂金属来解决。
对于电池应用，锂金属大多以箔形式使用。锂箔传统上是使用电解工艺以氯化锂作为前体由碳酸锂制造的。例如，在brown等人的描述了电解工艺的美国专利4,274,834中，碳酸锂通过与盐酸反应转化为氯化锂，随后通过高温(380℃至400℃)还原氯化锂和氯化钾低共熔复合物形成通常作为锭回收的块状锂金属。
leroux等人的美国专利4,724,055中描述了另一种用于生产锂箔的电解工艺。美国专利4,724,055涉及通过电解熔融盐混合物中所含的氯化锂制备锂的连续工艺。该工艺不期望地消耗大量的能量，并产生极具腐蚀性且有毒的空气污染物氯气作为副产物，这需要额外的纯化/安全步骤。
为了形成具有在50μm和200μm之间的厚度的锂箔，锂金属锭通过挤出或在空气中轧制(通常在低湿气环境中在与锂金属反应的氮气/氧气中)进行机械加工。然而，这不期望地将更多的污染物引入至最终产物。将所制作的箔切割成期望的大小和形状，并附着到集电体(典型地为铜箔)，以进一步用作一次锂金属电池中的阳极。
形成锂箔或薄膜的常规方法使用高纯度锂金属作为前体并且在减压下进行或需要额外的限制锂沉积率的添加剂。例如，已经通过物理气相沉积(pvd)(也称为溅射)，真空蒸发，激光烧蚀和离子电镀制备高金属纯度的平滑锂薄膜，如kugai等人的欧洲专利1,174,936和cho等人的美国专利7,629,083b2。pvd技术可以生产1-200微米范围内的高纯度锂金属薄膜，但是这种方法需要1.33×10-4pa(1×10-6托)或更低的压力，这是因为在低真空下可能由于湿气而发生碱金属薄膜的氧化或降解。
本公开提供了一种能够产生具有受控的厚度和形态的无枝晶的锂金属膜的方法。无枝晶的锂金属膜是平滑的并且可以直接从碳酸锂源生产。
技术实现要素：
本公开提供了一种用于制造被沉积在传导性衬底上并具有受控的厚度和形态的高纯度锂金属薄膜方法。本公开还提供了一种用于制造基于高纯度、无枝晶的锂金属膜的电极的方法，该电极能够无任何附加工艺地用于一次和二级锂金属电池，从而简化了电池制造过程。
在一般的实施例中，本公开提供了一种无枝晶的且光学上平滑的锂金属膜。锂金属膜通过使用选择性锂离子传导层在阴极上电解沉积锂而获得。锂金属薄膜的形态可以通过改变用于沉积的电流率来控制。
在一个实施例中，锂金属膜具有约1nm至约1000μm的厚度。锂金属膜可以具有约1nm或更高并且小于约40μm的厚度。具体而言，锂金属膜可以具有约25μm的厚度。
在一个实施例中，锂金属膜具有平滑的表面形态。
在另一个实施例中，锂金属膜包括球形结构。
在一个实施例中，锂金属膜包括紧凑的自对准纳米棒结构。纳米棒形态的优点在于，相对于锂的当前供给，紧凑均匀的纳米棒可以显著降低锂阳极的真实表面积。这是有益的，因为阳极的表面积的降低减少了由于电池中锂与电解质之间的化学和电化学反应而造成的锂的损耗。与传统电极相比，这种特殊的形态可以提高容量、可循环性并减少阻抗。
在一个实施方案中，本发明提供了一种锂金属膜，其在光学上就d<λ/(8cosθ)而言是平滑的，其中d是表面粗糙度(例如从参考平面测量的均方根粗糙度高度)，λ是入射光的波长(200-1000nm)，并且θ是入射光的入射角。
在一个实施例中，本公开提供了一种电极，其包括：衬底和在衬底上提供的锂金属膜。锂金属膜没有枝晶并且在光学上是平滑的。
在一个实施例中，衬底包括不与锂成合金的材料。衬底可以包括选自铜和不锈钢的材料。
在一个实施例中，在将锂金属膜提供到衬底上之前，通过在浓硫酸(98重量％)中蚀刻衬底两秒、用去离子水冲洗衬底以及空气干燥衬底来对所述衬底进行预处理。
在一个实施例中，提供了一种锂合金。该锂合金包括衬底和在衬底上提供的锂金属膜。所述锂金属膜没有枝晶并且在光学上是平滑的，并且衬底包括与锂成合金的材料。
在一个实施例中，衬底包括与锂成合金的材料。衬底可以包括铝、锡、硅或任何其它与锂成合金的金属。
在一个实施例中，提供了电池，并且该电池包括阴极、阳极和电解质。在阴极和阳极的至少一个上提供锂金属膜。锂金属膜没有枝晶并且在光学上是平滑的。
在一个实施例中，电池是锂一次电池、可充电的锂金属电池、或微型电池。
在一个实施方案中，本公开提供了一种获得锂金属膜的期望的形态的方法。该方法包括使用选择性锂离子传导层电解沉积锂金属，以及控制电解沉积的电流率来获得期望的形态。
在一个实施例中，电流率被控制在1ma/cm2至10ma/cm2的范围内。
本公开的一个优点是提供具有受控的厚度和形态的高纯度锂金属膜。锂金属膜使用选择性锂离子传导层获得。通过将厚度和形态控制在期望的范围内，锂膜可以容易地被设计用于特定应用。
本公开的另一个优点是提供一种用于控制电解沉积的高纯度锂金属膜的形态的方法。高纯度锂金属膜是光学平滑且无枝晶，并因此可用于需要高纯度的平滑锂金属膜的电池和其他应用。
附加的特征和优点在此进行了说明，并且将从以下的具体实施方式和附图中明示。
附图说明
图1示出了美国专利公开2015/0014184a1中公开的锂生产单元结构的示意性正视图；
图2示出了图1的锂生产单元结构的示意性细节图；
图3示出了美国专利公开2015/0014184a1的锂生产单元的示意性分解细节图；
图4示出了电解沉积的锂膜的sem图像；
图5显示以不同电流率–1、–3、–5、–10和–15ma/cm2电解沉积在铜衬底上的锂膜的照片；
图6显示了在4小时45分钟的过程中在抛光的铜盘电极(13/8"直径)上的锂沉积。
具体实施方式
swonger的美国专利公开2015/0014184a1描述了一种用于从碳酸锂或其他锂盐连续生产锂金属的电解工艺，这些碳酸锂或其他锂盐在酸性电解质中离解并将原料的非锂部分作为气体释放。swonger电解工艺使用含水酸性电解质和锂生产单元结构以从锂盐连续生产锂金属。锂生产单元结构包括单元体、阴极、含有锂离子和阴离子的电解质水溶液以及嵌入阴极和电解质水溶液之间的复合物层。该复合物层包括锂离子传导性玻璃陶瓷(lic-gc)和将形成阴极的锂与电解质水溶液隔离的锂离子传导性阻挡膜(li-bf)。lic-gc-bf复合物允许从溶液直接生产锂金属，并将锂金属直接沉积到干净的阴极上，而无需额外的提取工艺。
图1和图2示出了美国专利公开2015/0014184a1的锂生产工艺，其中富锂的电解质流过提取单元。当给系统施加电势时，锂金属在嵌入的复合物层下方的移动阴极上积聚。图1示出了锂生产单元结构的示意性正视图，而图2是图1的单元结构的示意性细节图。
在图1和图2中，电解单元10包括上区段12和下区段14。单元10的特征在于可移动的阴极16横切单元的横截面。阴极16与单元10的轴线交叉，当电解反应发生在阴极16上方的电解质18中时前进，穿过lic-gc-bf复合物层。阳极20被提供给单元上区段12。阴极16上方的单元区段12经由入口22装载电解质18、进行电解并且经由出口24排出废电解质。阴极16通过嵌入到阴极16与电解质18之间的复合物层28与电解质18接触。复合物层28包括与电解质18相邻的锂离子传导性玻璃陶瓷层(li-gc)30和置于陶瓷层30与阴极16之间的锂离子传导性阻挡膜(li-bf)32。包括阻挡层32和玻璃陶瓷层30的复合物28将在阴极16处形成的锂与电解质18隔离。随着锂金属形成和穿过复合物层28沉积到前进阴极16上，轴26推进阴极16和复合物28。在固体阴极16处产生的锂金属可以作为纯金属相抽出。
适合的电解质18成分包括水溶性锂盐，包括但不限于li2co3和licl。为了提高溶解度，将锂盐溶于水合酸如硫酸中，并作为电解质18用于电解单元10中。碳酸锂(li2co3)是最容易得到的锂盐并被用作单元10的初始试验的原料。
美国专利公开2015/0014184a1教导了硫酸的使用对于从碳酸锂高效生产锂金属是重要的，这是因为碳酸锂基本不溶于水和有机溶剂，而碳酸锂在硫酸溶液中具有高得多的溶解度。通过离解碳酸锂并仅将锂离子置于溶液中，电解质溶液保持稳定并且不会造成原料的非锂离子部分的浓度的积聚。可以将碳酸锂连续地供入电解单元外部的罐中，排放被硫酸电解质释放的co2气体并从阴极收集锂金属。这可以连续操作或作为分批工艺进行。
美国专利公开2015/0014184a1公开了：适用于其电解单元10的一些合适的部件已在美国专利公开2013/0004852a1中得以说明。
阴极16的特征在于嵌入的复合物(li-gc/li-bf)28，这意味着复合物28被插入或置入阴极16与电解质18之间。阴极16沿着单元10的轴线前进以使产生的锂泄漏穿过复合物28并使得阴极沉积的锂被隔离。阴极16包括与锂金属和复合物层不反应的适合的材料。li-gc/li-bf复合物层28是阳极室与在阴极上形成的锂金属之间的固定阻挡部。阴极移动以适应阴极上的连续增厚的锂金属层。
如美国专利公开2015/0014184a1中所公开的那样，复合物层(li-gc/li-bf)28包括锂离子传导性玻璃陶瓷层(li-gc)30和锂离子传导性阻挡膜(li-bf)32。基本上不可渗透的层(li-gc)30可以是活性金属离子传导性玻璃或玻璃陶瓷(例如，锂离子传导性玻璃-陶瓷，其具有高的活性金属离子传导性和对与锂金属剧烈反应的侵袭性电解质的稳定性。合适的材料基本上是不可渗透的、离子传导性的，并且与含水电解质或其他电解质(阴极电解质)和/或阴极材料是化学相容(否则其会不利地与锂金属反应)。这些玻璃或玻璃陶瓷材料基本上没有间隙、不可溶胀并且其离子传导性质不依赖于液体电解质或其他试剂的存在。它们也具有高离子传导率，至少为10-7s/cm，一般至少10-6s/cm，例如至少10-6s/cm至10-4s/cm，并且高达10-3s/cm或更高，从而多层保护结构的总体离子传导率至少为10-7s/cm并且高达10-3s/cm或更高。层的厚度优选为约0.1至1000微米，或者在层的离子传导率为约10-7s/cm的情况下为约0.25至1微米，或者在层的离子传导率在约10-4至约10-3s/cm之间的情况下为约10至1000微米，优选1至500微米，更优选50至250微米，例如约150微米。
玻璃陶瓷层(lic-gc)30的示例包括玻璃态或非晶态的金属离子导体，例如磷基玻璃、氧化物基玻璃、磷-氮氧化物基玻璃、硫基玻璃、氧化物/硫化物基玻璃、硒基玻璃、镓基玻璃、锗基玻璃或硼硅玻璃(例如参见dpbutton等人,solidstateionics,vols.9-10,part1,585-592，1983年12月)，陶瓷的活性金属离子导体，例如β-氧化铝锂、β-氧化铝钠、li超离子导体(lisicon)、na超离子导体(nasicon)等；或玻璃陶瓷的活性金属离子导体。具体示例包括lipon、li3po4、li2s、sis2、li2s、ges2、ga2s3和li2o。
合适的lic-gc材料包括具有以下以摩尔百分比表示的组成的锂离子传导性玻璃陶瓷：p2o526-55％；sio20-15％；geo2+tio225-50％；其中geo20-50％；tio20-50％；zro20-10％；m2o30-10％；al2o30-15％；ga2o30-15％；li2o3-25％，并且含有如下的主晶相：li1+x(m,al,ga)x(ge1-ytiy)2-x(po4)3，其中x≤0.8且0≤y≤1.0，并且其中m是选自nd、sm、eu、gd、tb、dy、ho、er、tm和yb的元素；和/或li1+x+yqxti2-xsi3p3-yo12，其中0<x≤0.4且0<y≤0.6，并且其中q是al或ga。其他的示例包括11al2o3、na2o11al2o3、(na,li)i+xti2-xalx(po4)3(0.6≤x≤0.9)，以及晶体学相关的结构，na3zr2si2po12、li3zr2si2po4、na5zrp3o12、na5tip3o12、na3fe2p3o12、na4nbp3o12、li5zrp3o12、li5tip3o12、li5fe2p3o12和li4nbp3o12以及它们的组合，可选地烧结或熔融。适当的陶瓷离子活性金属离子传导体描述于例如adachi等人的美国专利4,985,317中。
美国专利公开2015/0014184a1公开了：合适的lic-gc材料还包括来自ohara公司(神奈川，日本)的产品，商标为lic-gctm、lisicon、li2o--al2o3--sio2--p2o5--tio2(latp)以及其他具有类似高的金属锂离子传导率和环境/化学耐受性的材料，如ohara等人制造的材料等。例如参见，美国专利8,476,174。美国专利8,476,174公开了至少包括具有liti2p3o12结构的晶体的玻璃陶瓷，该晶体满足1<ia113/ia104≤2，其中ia104是通过x射线衍射测定的分配给晶面指数104(2θ＝20至21°)的峰值强度，且ia113是分配给晶面指数113(2θ＝24至25°)的峰值强度。
美国专利公开2015/0014184a1的锂离子传导性阻挡膜32(li-bf)是具有高锂金属离子传导率(典型地为1.0ms/cm至100ms/cm)的锂金属离子传导性膜或涂层。高锂离子迁移数(t+)是优选的。低t+li+电解质则由于允许电池单元内的离子浓度梯度而导致高内阻从而阻碍性能，这可能会限制电池单元寿命和限制还原率。在t+＝0.70和t+＝1.0之间的迁移数是优选的。锂离子传导性阻挡膜与锂金属和li-gc材料都不反应。
li-bf膜32包括活性金属复合物，其中“活性金属”是用作电池活性材料的锂、钠、镁、钙和铝。合适的li-bf材料包括活性金属与cu3n、活性金属氮化物、活性金属磷化物、活性金属卤化物、活性金属磷硫化物玻璃和活性金属磷氮氧化物玻璃(cu3n、li3n、li3p、lii、lif、libr、licl和lipon)的复合反应产物。美国专利公开2015/0014184a教导了li-bf材料还必须防止由于与li-gc材料接触而在阴极上形成的枝晶。这可以通过在阴极与li-gc之间建立物理距离和/或提供枝晶不易穿透的物理阻挡部来实现。一种优选的li-bf膜是由kim等人在科学报告(scientificreports)中(文章编号：1917doi:10.1038/srep01917)描述的通过原位热不可逆的凝胶化和单离子主导的传导所产生的物理有机凝胶电解质。该电解质在室温下具有8.63ms/cm的传导率且t+＝0.84。这种有机凝胶电解质可以设置在多孔膜状物中以提供额外的结构和枝晶渗透抗性。典型的多孔膜状物厚度为1μm至500μm，例如20μm。可接受的多孔膜状物包括由asahikaseie-materials公司制造的hipore聚烯烃平膜-膜状物。
美国专利公开2015/0014184a1的连续锂金属生产工艺可以使用不昂贵的碳酸锂，或等价的锂离子源来直接从用于由锂辉石矿石或其他天然锂源中汲取锂金属的酸溶液中直接生产锂金属。
美国专利公开2015/0014184a1的示例性工艺利用了图3中示意性示出的单元。单元110包括单元盖116、保持器118、pt阳极112、阴极124和具有被并入多孔聚烯烃平膜-膜状物122中的锂离子传导性阻挡膜120的lic-gc传导性玻璃114。受支撑的lic-gc-bf多层被嵌入在阴极124和富锂离子的电解质18之间(如图1和2所示)。单元还包括具有垫圈128的支撑性
单元110包括阳极112，其是镀铂的钛阳极，1"×4"铑和钯珠宝电镀。阴极是内部制造的1.4英寸圆形的钯阴极盘。lic-gc114材料是150μm厚，2英寸圆形的
锂离子传导性凝胶电解质120由以下制造：由韩国蔚山的蔚山国立科学技术研究院hyun-konsong博士提供的pva-cn聚合物，其由alfaaesar以厂商号h61502购得；lipf6(六氟磷酸锂)，98％；emc(碳酸甲基乙基酯)，99％，来自sigmaaldrich，产品号754935；ec(碳酸亚乙酯)，无水，来自sigmaaldrich，产品号676802；以及来自asahi公司的多孔膜状物nd420聚烯烃平膜-膜状物。
li-bf阻挡层120在氩气吹扫的手套袋中制造。给手套袋装入所有材料、精密标尺、注射器和所有其他单元部件，然后在电解质制造工艺工艺开始之前填充和排空四次。
有机凝胶电解质如下混合：通过加热至约140°f将4.0mlemc液化并置于小瓶中。然后向小瓶中加入2.0mlemc，将0.133g(2wt％)pva-cn聚合物加入到小瓶中，并将混合物搅拌1小时以溶解pva-cn。然后加入0.133g(2％wt)fec作为sei形成添加剂，然后加入0.972g(1m)lipf6并混合以完成有机凝胶电解质混合物。然后在手套袋内组装电解单元。随着lic-gc和垫圈就位，阳极室和阴极室彼此密封。将有机凝胶电解质混合物用于润湿lic-gc的阴极侧，将hipore膜状物则置于lic-gc的阴极侧并再次用有机凝胶电解质混合物润湿。然后将阴极盘置于有机凝胶混合物的顶部。将单元置于
将电解单元110从烘箱中取出并放入氩气吹扫的手套袋中，并使其能够冷却至室温。透明聚丙烯胶带用于密封阴极盘上方的空白区域并固定电极导线。电解单元110现在准备就绪，被从手套袋中取出并连接到电解质循环系统。
用在200ml去离子水和500ml的20重量％的硫酸中的120g碳酸化的锂制备电解质18。将硫酸缓慢加入到碳酸锂悬浮液中并充分混合。使未溶解的碳酸锂沉降。从原液中收集上清液，即18重量％的锂原液。18重量％的锂溶液的ph测量值为9。通过添加20重量％的硫酸来降低溶液ph。再次，缓慢加入硫酸以使发泡最小化。将18重量％的锂原液调节至ph4.5。优选的ph在ph3.0和ph4.5之间，最优选在ph3.0和ph4.0之间，但该工艺可以在7.0或更低的ph下进行。ph值高于7.0将导致溶液中出现碳酸盐。
然后将电解质混合物倒入循环系统中。加注循环泵并使溶液循环30分钟以检查泄漏。
富锂离子的电解质18流过lic-gc-bf多层114/120上方的单元110的上半部分并流过阳极112。当电势施加到系统时，锂金属积聚在lic-gc-bf多层114/120系统下方的移动阴极上。
将gamryreference3000恒电位计/恒电流计/zra连接至单元110。在–3至–6伏的电压下，没有显著的活性。当电压升高到–10v时，系统响应。电压升高到11vdc时，电流安培数提高。在11vdc时没有观察到单元阳极侧的放气。gamryreference3000不会低于–11vdc。由于在–11vdc时没有放气，所以如果电压增加，则还原率很可能会高得多。如果在阳极产生可忽略不计的氧气，则更高的电压和还原率是优选的。在时间为零时电解质的ph为4.46。35分钟后溶液的ph降至4.29，实验结束时溶液的ph为4.05。降低的ph值指示从电解质中除去锂离子。
在实验开始时观察到-20ma的电流安培数。30分钟后电流安培数缓慢增加至–60ma。在这个值下，安培数保持相当稳定历时另外30分钟。实验计时器和图形暂停30分钟以延长实验(电压保持在–11vdc)。在大约65分钟的运行时间后，在单元的阳极侧观察到大的安培峰值和突然性的剧烈放气。这表明lic-gc-bf114/120膜状物失效。
当单元110打开并且阴极124侧暴露于泄漏穿过lic-gc-bf114/120的电解质时，观测到快速放气和明亮的白色火焰，这证明单元通过电解硫酸水溶液中的锂离子生产了锂金属，其穿过了lic-gc-bf114/120膜状物系统。
本公开修改了美国专利公开2015/0014184a1的工艺以生产具有受控的厚度和形态的高纯度平滑锂金属薄膜。具体而言，本公开基于美国专利公开2015/0014184a1的电池中使用的单元的电参数和材料的使用、优化和变化。
本公开提供了一种基于美国专利公开2015/0014184a1的锂生产电解单元，其在氩气吹扫的手套箱中组装，并且电解质水溶液供给容器放置在氩气吹扫的手套箱的外部并且通过配备有液压泵和阀门的塑料管连接到单元。
本公开利用连接到具有参考电极的单元的gamryreference3000恒电位计/恒电流计/zra来控制所施加的电势。如美国专利申请62/168,770所述的那样，单元包括套筒和单元体。可移动的阴极横切单元的横截面。阴极与单元的轴线交叉并且可以位于lic-gc膜状物上方的阴极电解质中。阳极在下部单元体中提供。lic-gc膜状物下方的单元体部分通过入口装载含有锂离子的电解质、进行电解并且经由出口排出废电解质。锂离子通过lic-gc膜状物和阴极电解质从含有锂离子的电解质传导到阴极。阴极与嵌入阴极和电解质之间的lic-gc膜状物隔开。lic-gc膜状物包括置于含锂离子的电解质与传导锂离子的阴极电解质之间的锂离子传导性玻璃陶瓷层(lic-gc)。由伺服电机驱动的阴极支撑件根据需要推进阴极以维持在阴极上形成的锂金属与lic-gc膜状物之间的间距，以及取出阴极以便除去锂金属。在阴极处产生的锂金属可以作为纯金属相被抽出。
参考电极选自饱和氯化银(ag/agcl)水溶液电极、独立式锂金属箔和铜衬底上的锂金属膜。ag/agcl电极用作电解质水溶液供给容器中的参考电极。独立的锂金属箔和铜衬底上的锂金属膜用作单元的有机电解质室中的参考电极。锂金属的电解沉积发生在相对于ag/agcl为3.3v和相对于li为0v的电压下。
本公开内容提供了一种方法，其中锂在室温或接近室温下从被无机膜状物分隔的电解质混合物中电解沉积。无机膜状物仅传导锂离子，而不渗透水和其它常见基础金属如fe、ca、na、k、cu、ba和mg的阳离子。锂阳离子从含有硫酸和锂盐(例如碳酸锂、licl、lif或lino3)的水溶液中穿过膜状物(来自ohara的lisicon膜状物)，传输到在碳酸二甲酯(“dmc”)中的1.0m六氟磷酸锂(lipf6)的有机电解质中。有机电解质与阴极接触。阴极可以包括任何不与锂成合金的材料如铜或不锈钢。传输穿过膜状物的锂离子沉积在阴极上以形成锂金属膜。
锂金属膜的形态可以通过用于电沉积的电流率来控制，如图5所示。图5中的图像以–1ma/cm2、–3ma/cm2、–5ma/cm2、–10ma/cm2、和–15ma/cm2沉积在铜衬底上的锂膜的sem照片。
如图5(a)所示，–1ma/cm2的低电流率导致沉积平滑表面的膜。相反，–3ma/cm2(如图5(b)所示)和–5ma/cm2(如图5(c)所示)的较高电流率分别产生球状和棒状结构化膜。
图5展示了在铜衬底上以1ma/cm2至15ma/cm2的电流率产生的无枝晶和光学上平滑的锂膜。图5中的铜衬底通过在浓硫酸(98重量％)中蚀刻衬底两秒，用去离子水冲洗衬底以及空气干燥衬底来对衬底进行预处理，以从表面除去杂质并产生平滑的锂膜。
如图5(e)所示，当使用预处理的铜衬底时，在电流率为–15ma/cm2时发生枝晶生长。
图6示出了在4小时45分钟的过程中锂在抛光的铜盘电极(13/8"直径)上沉积的进程。在1.0m的lipf6在dmc中的电解质溶液中以–1ma/cm2的电流密度进行沉积。在以dmc冲洗电极并在氩气流下干燥5分钟后拍摄“干”图像。边缘上的标记来自于将电极保持在有机电解质溶液中防止其与lisicon膜状物接触的
高纯度平滑锂金属薄膜可用于需要超薄、高质量锂膜的任何应用中。例如，高纯度平滑锂金属薄膜可以用于需要具有小于40μm厚度的薄的高纯度锂薄膜的微型电池或低功率设备中。包括高纯度光滑锂金属薄膜的微型电池可以与能量收集电子设备(例如压电电子设备和光伏设备)耦合，并且可以集成到微电子设备和纳米传感器中。高纯度的平滑锂金属薄膜也可用于电池的锂金属阳极中。
本发明的工艺可沉积1-50nm、50-100nm和100-1000nm以及1-10μm、10-100μm和100-1000μm范围内的锂膜。这些膜也可用作电化学电容器、元电容器(metacapacitor)、led电视屏幕如松下的th-42as700aled电视和led手电筒中的电极。
本发明的工艺也可用于在室温下形成锂-金属合金(锂与al、ni、mg、sn或si的合金)。如果将已知与锂成合金的金属用作阴极，则锂将被合金化到金属的晶体结构内而不是沉积在其表面上。在li-al合金的情况下，na或k杂质的存在已经显示出以线性方式降低室温下的韧性和延展性。本发明的工艺可以有效地将基础金属含量降低至0ppm。特别是，本发明的工艺消除了na、k、fe、ca、mg和其他常见金属的含量，因此允许用于形成高强度li-al合金材料的新的低温路径。