Forskere udvikler funktionelle mikro-arrays til effektiv lithiummetalanodegrænseflade

Lithium (Li) metalanoder, med den højeste specifikke kapacitet (3.860 mAh g ^-1 ) og det laveste redoxpotentiale (-3,04 V vs. standard brintelektrode), betragtes som et potentielt alternativ til næste generation af lithiumbatterier med høj energidensitet. Den ustabile elektrolyt-Li-metalanodegrænseflade har imidlertid været den største hindring for den praktiske anvendelse af Li-metalanodebatterier.

Forskere ledet af prof. Bai Shuo og prof. Li Feng fra Institute of Metal Research (IMR) ved det kinesiske videnskabsakademi (CAS) har sammen med prof. Tan Jun fra Ji Hua Laboratory opnået den rumligt selektive fordeling af målrettet solvatiseringsstruktur af ioner ved elektrolyt-anode-grænsefladen ved at fremstille mikro-arrays af nano-hydroxyapatit (nHA) med høj Li ⁺ bindingsenergi på kobber (Cu) folie.

Deres arbejde blev udgivet i Advanced Materials .

Ifølge forskerne er nøglen til en stabil Li-metalanode at konstruere en robust solid elektrolytgrænseflade (SEI) film ved elektrolyt-anodegrænsefladen. Den mest ideelle tilgang er at optimere den solvatiserede struktur af ionerne i elektrolytten, især ved grænsefladen mellem elektrolyt og anode, samtidig med at bulkelektrolyttens egenskaber bevares.

De fandt ud af, at de elektronegative nHA-partikler med høj Li ⁺ bindingsenergi kan effektivt tune solvatiseringsstrukturen af ​​ioner i elektrolytten. Li ⁺ vil fortrinsvis migrere til overfladen af ​​nHA-partiklen og danne et lokalt Li ⁺ -rig region omkring nHA-partiklen, hvor anioner kan interagere med mere Li ⁺ at danne multi-koordinerede anioner.

Baseret på dette fund fremstilles mikro-arrays af nHA yderligere på Cu-folie (anodens strømopsamler) for fortrinsvis at danne multi-koordinerede anioner ved elektrolyt-anode-grænsefladen. I mellemtiden verificerer eksperimentet også, at mikro-arrays ikke påvirker solvatiseringsstrukturen af ​​bulkelektrolytten.

Generelt frastødes ukoordinerede anioner kraftigt af den elektronrige anode, hvilket i høj grad reducerer anionernes nedbrydningseffektivitet. I denne undersøgelse kan de multi-koordinerede anioner ved elektrolyt-anode-grænsefladen ved hjælp af nHA-mikro-arrays bæres af Li ⁺ for effektivt at krydse det elektriske dobbeltlag på anoden, hvilket ønskes til en anion-afledt SEI-film. Anionerne i elektrolytten nedbrydes mere fuldstændigt til stærkt beskyttende uorganiske komponenter i SEI-filmen, som effektivt kan undertrykke dendritvæksten på anoden.

Som følge heraf reduceres risikoen for den berygtede mikrokortslutning i Li-metal-batterier betydeligt ved høje ladnings-afladningsstrømtætheder.

Fundet af elektronegative materialer, der tuner lokal opløsningsstruktur i elektrolytten, giver nye designprincipper til at bygge robust SEI til stabile Li-metal-batterier.

Flere oplysninger: Haorui Shen et al., Spatial Selective Solvation Structure by Electronegative Micro-Arrays for stabil Lithium-Metal Anode Interface, Avancerede materialer (2023). DOI:10.1002/adma.202306553

Journaloplysninger: Avanceret materiale

Leveret af Chinese Academy of Sciences