Befugtende ejendom af Li metal med grafit

"Rock-chair" Li-ion batteri (LIB) blev opdaget i slutningen af ​​1970'erne og kommercialiseret i 1991 af Sony, som er blevet den primære måde, vi opbevarer bærbar energi på i dag. For at ære bidraget til "at skabe en genopladelig verden, "Nobelprisen i kemi i 2019 blev tildelt tre berømte forskere, John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham, Akira Yoshino, hvem gav de vigtigste bidrag til opdagelsen af ​​LIB'er. Imidlertid, denne teknologi nærmer sig sine praktiske ydelsesgrænser, og der pågår en omfattende indsats for at erstatte LIB'er med nye elektrokemiske opbevaringsløsninger, som er sikre, stabil, lave omkostninger og med højere energitæthed til at drive elbiler med lang rækkevidde og bærbar elektronik med lang levetid.

Udskiftning af de traditionelle grafitbaserede anoder med Li-metal, en "hellig" anode med en høj teoretisk kapacitet på 3860 mAh/g, viser det en lovende tilgang. På nuværende tidspunkt, Li metalanode lider af dårlig cykeleffektivitet og uendelig volumenændring, rejser bekymringer vedrørende driftssikkerhed. Effektiv indsats, som omfatter funktionelle elektrolytadditiver, kunstige fast-elektrolytgrænseflader, og ved hjælp af værtsstilladser til at buffer volumenudvidelsen, er taget for at tackle dens ulemper. Imellem disse, metoden til brug af stilladser ser fortsat en hurtig udvikling.

Grafit, en klassisk Li -anode, viser et stort løfte som et effektivt værtsstillads, som besidder en lav densitet og høj elektronledningsevne. Imidlertid, det er almindeligt accepteret, at Li metal væder grafit dårligt, forårsager dens spredning og infiltration vanskeligheder. Tidligere metoder til omdannelse af grafit fra lithiofobicitet til lithiophilicitet omfatter overfladebelægning med Si, Ag eller metaloxid (lithiophobisk angiver en stor kontaktvinkel, mens litiofil angiver en lav kontaktvinkel mellem smeltet lithium og fast overflade). Imidlertid, en sådan ændring i væskespredningsadfærd skyldes udskiftning af grafit med reaktiv belægning. Følgelig, det kan blive spurgt, om grafit er i sig selv lithiophobic eller lithiophilic.

Heri, fugtighedsadfærden for smeltet Li på forskellige slags grafitbaserede kulstofmaterialer blev systematisk undersøgt. For det første, den meget orienterede pyrolytiske grafit (HOPG) blev brugt som en testprøve. Det blev observeret, at HOPG -substrat straks tillader en kontaktvinkel (CA) på 73 ° med Li -metal. For at kontrollere dette eksperiment mod teori, ab initio molekylær dynamik simulering blev udført med en smeltet Li -dråbe (54 Li -atomer)/grafit (432 C -atomer, to-lags grafen) opsætning for at bevise, at en ren (002) overflade af grafit er i sig selv lithiofil ved 500K, og resultaterne bekræftede også, at lithium og grafit har god affinitet.

Imidlertid, CA af Li -metal på porøst carbonpapir (PCP) er så højt som 142 °, hvilket indikerer, at PCP er lithiofobisk. Dette resultat, der modsagde tidligere konklusion om, at grafit er i sig selv lithiofilt, fik forskere til at få yderligere forståelse af effekten af ​​overfladekemi til befugtningseffekten af ​​Li -metal og grafit. Sammenlignet med HOPG, det viste sig, at PCP-overfladen har et stort antal oxygenholdige funktionelle grupper. Disse urenheder på overfladen vil spille en central rolle i fastgørelsen af ​​kontaktlinjen mellem Li -metal og PCP, hvilket resulterer i en større tilsyneladende kontaktvinkel.

For at demonstrere denne antagelse, PCP blev først lithieret ved at reducere dets elektrokemiske potentiale med smeltet Li -metal. Under denne proces, overflade urenheder af PCP elimineres også. Forsøget viser, at litieret PCP udviste en lille CA på ~ 52 °, hvilket indikerede en vellykket overgang fra lithiophobicity til lithiophilicity. På grund af den porøse struktur af litieret PCP, Li -metallet diffunderede hurtigt igennem. DFT -simuleringen afslørede, at lithieret grafit og grafit havde lignende befugtningsevne, demonstration af eliminering af overfladeforureningerne ville være hovedårsagen til denne overgang af befugtningsevne fra PCP til litieret PCP. Grafitpulveret blev yderligere brugt til at teste dets befugtning med Li -metal. Efter fortsat blanding, grafitpulveret kunne dispergeres ensartet i Li -metalmatrixen, yderligere bekræftelse af en lithiophilic egenskab af grafit. Udnytter denne opdagelse, der blev foreslået en ny Li-metal-grafit-sammensætningsmetode, og Li-grafit-kompositanoder med et stort område kan fremstilles i stor skala.

Dette arbejde undersøger ikke kun systematisk befugtbarheden af ​​Li-metal og grafitbaserede kulstofmaterialer, men giver også en ny idé til konstruktion af Li-carbon-kompositanodematerialer, hvilket er nyttigt for udviklingen af ​​højenergi Li-metalbatterier.