Nanostruktur-oplysende dendritfri metalanode

Grafitanoder har været meget brugt til lithium-ion-batterier (LIB'er) i løbet af de sidste to årtier. Udskiftningen af ​​metallisk lithium med grafit muliggør sikker og højeffektiv drift af LIB'er, imidlertid, betydeligt ofrer specifik kapacitet og energitæthed. Faktisk, som "den hellige gral" af lithium-batterier, lithiummetalanoder udviser en meget høj teoretisk specifik kapacitet på 3860 mAh g ⁻¹ og det laveste negative redoxpotentiale på -3,040 V vs. standard brintelektrode. Imidlertid, lithiumdendritterne, der dannes og forlænges under cykling, kan gennembore polymerseparatoren, resulterer i en kortslutning og efterfølgende termisk løb af batteriet.

'Dendritterne induceres hovedsageligt af inhomogen fordeling af både strømtæthed på lithiumanoden og koncentrationsgradienten af ​​lithiumioner ved elektrolyt/elektrode-grænsefladen, ' forklarede Dr. Qiang Zhang ved Institut for Kemiteknik, Tsinghua Universitet i Beijing, 'dendritdannelsen og -væksten vil blive forsinket, hvis stabiliteten og ensartetheden af ​​grænsefladerne mellem elektrolytter og lithiumelektrode forbedres'.

Qiang nævnte også konventionelle strategier til at ændre grænsefladen ved at anvende elektrolytadditiver, hybrid elektrolytter, polymer elektrolytter, og beskyttende lag. 'Faktisk, et meget nyligt arbejde rapporteret af Dr. Yi Cui's gruppe fra Stanford University illustrerede, at belægning af lithiummetalanoder med et monolag af indbyrdes forbundne amorfe hule kulstofnanosfærer kan isolere lithiummetalaflejringerne og stabilisere fast elektrolytinterfase, hvilket er en lovende strategi til at tackle dendritproblemerne ved metalanoder. Hvis nanostrukturerne af metalanoder er godt designet, vækstadfærden af ​​aflejret lithium vil blive bevidst kontrolleret.' Qiang fortalte phys.org.

Heri, en ny tredimensionel (3D) nanostruktureret anode med metallisk lithium indeholdt i en fibrøs Li7B ₆ matrix blev foreslået for at forsinke dendritvæksten. En sådan nanostruktureret anode udviste en hidtil uset lang levetid og høj coulombisk effektivitet ud over pladelithiummetal.

'Det mest imponerende kendetegn ved anoden er den fibrøse nanostruktur af Li ₇ B ₆ stillads, ' Xin-Bing Cheng, en kandidatstuderende og den første forfatter, forklaret. 'Lithiumaflejringen er selvbegrænset i nanoskala på grund af den meget reducerede størrelse af Li ₇ B ₆ nanofibre ud over lithiumfolier. Dermed, dannelse af makroskala lithiumdendritter undgås. Denne gunstige selvstændige egenskab tilskrives hovedsageligt begrænset deponeringsrate af lithium.'

Aflejringshastigheden af ​​lithium afhænger stærkt af den specifikke størrelse af substraterne, som i dette tilfælde er gradvist dyrkede lithiumaflejringer og konstant inert Li ₇ B ₆ nanofibre. Når først lithiumaflejringen starter, den vokser kontinuerligt, fordi den oprindelige lithiumaflejring har en lille størrelse, der holder en stærk elektrisk feltstyrke, således favoriserer adsorption og aflejring af lithiumioner. Når størrelsen af ​​lithiumaflejringer konstant stiger til matrixens størrelse, aflejringernes evne til at adsorbere lithiumioner vil være lavere end Li ₇ B ₆ fibre og derefter lithiumioner har en tendens til at aflejre sig på matrixen snarere end på dendritterne.

'Følgelig, den nanostrukturerede anode reducerer ikke kun den arealmæssige strømtæthed, som sænker væksthastigheden af ​​lithiumaflejringer, men begrænser også den endelige størrelse af aflejret lithium, hvilket fører til den dendritfri morfologi på makroskala.' sagde Xin-Bing.

Derudover den nanostrukturerede anode har andre fordele. For eksempel, det giver også plads nok til at rumme elektrolytten og dermed stabilisere koncentrationen af ​​lithiumioner, hvilket også gavner en dendritfri ejendom. Li ₇ B ₆ fibre er mekanisk stive nok til at opretholde deres struktur. Når den nanostrukturerede anode blev samlet med svovlkatode, cykellivet blev drastisk øget til 2000 cyklusser, langt ud over rutineplade lithiumfolie anode. De detaljerede resultater blev offentliggjort som en hurtig kommunikation i Lille .

"Det rationelle arkitektoniske design af metalanode er en effektiv metode til at justere vækstadfærden af ​​aflejret metal." som Dr. Zhang påpegede, "mere avancerede dendrit-fri metalanoder baseret på konstruerede nanostrukturer til at tilfredsstille efterspørgslen efter fungerende batterier vil blive udforsket."