En letvægts nanofiberbaseret opsamler

Quan-Hong Yang fra Tianjin University og Wei Lv fra Graduate School i Shenzhen, Tsinghua University med deres kolleger rapporterede en letvægter, kvælstofdoping carbon nanofiber-ramme på højt niveau som den nuværende opsamler for litiummetalanoder, som kunne begrænse dendritvæksten og opnå den ensartede lithiumaflejring. Dette værk blev for nylig offentliggjort i Videnskab Kina materialer .

Yangs gruppe og Lvs gruppe er stadig dedikeret til kulstofmaterialer og deres anvendelser i energilagring.

Forfatterne skriver, "På trods af den høje energitæthed af lithiummetalbatterier, den vanskelige dendritvækst resulterede i lav coulombisk effektivitet, intern kortslutning og endda farlige problemer hindrer deres praktiske brug. Kulstofmaterialer kan spille en væsentlig rolle i løsningen af ​​ovennævnte problemer, muliggør praktisk anvendelse af lithiummetalanoder."

Forskere har gjort en indsats for at løse lithiumdendritproblemet. De ledende tredimensionelle rammestrukturer, som den porøse Cu-strømopsamler og 3-D grafenramme, har tiltrukket sig opmærksomhed, fordi de kan sænke lokal strømtæthed og rumme store volumenændringer under cykling.

"På trods af den fremragende strukturstabilitet og overlegne elektrisk ledningsevne, den porøse metalstrømaftager er tung, omfattende energitætheden, "Sagde Yang, "den porøse kulstoframme er let, hvilket gavner at forbedre energitætheden baseret på hele enheden. Alligevel er deres ikke-lithiofile overflader ikke ideelle til ensartet nukleering og aflejring af lithium."

Nitrogenholdige funktionelle grupper på carbonrammeoverfladen kan interagere med lithiumatomer og øge carbonrammernes lithiofilicitet. Brug af polyacrylonitrid som råmateriale, en let og høj nitrogen-doping 3-D ledende carbon nanofiber matrix (NCNF) kan nemt fremstilles ved elektrospinning, præ-oxidation og termisk behandling.

Brugen af ​​NCNF som den aktuelle opsamler har flere fordele:

1. En let matrix kan opretholde den høje specifikke kapacitet af Li-metalanode. Densiteten af ​​NCNF er kun 0,57 mg/cm2. Når lithiumbelastningen er 4 mAh/cm ² , den lette NCNF giver en stor kapacitet på 2489,7 mAh/g baseret på NCNF-Li-komposit;
2. Højt specifikt overfladeareal og 3-D struktur er nyttige til at sænke den lokale strømtæthed og imødekomme de store volumenændringer under cykling;
3. Høj nitrogen-doping garanterer tilstrækkeligt lavt nukleationsoverpotentiale steder på den store overflade af NCNF, at styre lithiumkernedannelse ensartet og undertrykke væksten af ​​lithiumdendrit.

Disse resulterede i fremragende cykelstabilitet med en høj coulombisk effektivitet på over 98 procent i mere end 250 cyklusser for lithiumaflejring. I øvrigt, når den er parret Li@NCNF-anode med LiFePO4 for at samle fuld celle, reduceret spændingspolarisering og høj kapacitetsretention blev vist.

Yang siger, "Dette arbejde demonstrerede tydeligt de vigtige roller af heteroatom-doping for modifikation af kulstofoverfladen for at realisere den ensartede og dendritfrie metalanodeaflejring, og viste også et stort potentiale af letvægts NCNF til brug i metalbaserede anoder med høj energitæthed."