En tofaset lithiummetalanode til næste generation af lithium-svovlbatterier

Forskere har foreslået en effektiv og stabil tofaset lithiummetalanode til Li-S-batterier, indeholdende polysulfid-induceret fast elektrolyt-interfase og nanostruktureret grafenramme ved Tsinghua University, optræder i ACS Nano .

Blandt forskellige lovende batterikandidater med høj energitæthed, Li-S batterier, med en høj teoretisk kapacitet på 1675 mAh g ^-1 (baseret på svovl) og en energitæthed på 2600 Wh kg ^-1 (baseret på Li-S redox-parret), er højt overvejede. "Den overlegne egenskab giver anledning til det enorme potentiale af Li-S-batterier i bærbar elektronik, elektriske køretøjer, og høst af vedvarende energi, " sagde Dr. Qiang Zhang, lektor ved Institut for Kemiteknik, Tsinghua Universitet. "På trods af disse fordele, mange forhindringer skal stadig overvindes for praktiske anvendelser af Li-S-batterier, såsom den lave ledningsevne af svovl, shuttlen af ​​langkædede polysulfid-mellemprodukter i svovlkatoden og Li-dendrit-problemer i Li-metalanoden. I forhold til den brede forskning i katoden og elektrolytten, Li-metal i anoden har fået få opmærksomhed."

Dannelsen af ​​Li-dendritter er et primært problem for Li-metalbatterier inklusive Li-S-batterier, hvilket altid fører til alvorlige sikkerhedsproblemer og lav Coulombic effektivitet. Li-dendritter er blandt de sværeste problemer med Li-metalanode, imidlertid, det er ikke den eksklusive. Forskere fra Pacific Northwest National Laboratory opdagede en ny fejlmekanisme for Li -metalanoder, at anodens porøse interfase voksede indad mod bulk (frisk) Li -metal, som udviklede sig til et rodet og meget modstandsdygtigt lag og, dermed, resulterede i enorm overførselsmodstand og en stor mængde Li -metal, der mistede kontakten med elektroner (død Li) i det inerte lag. Før den dendrit-inducerede kortslutning, batteriets impedans eskalerede kraftigt, og levetiden blev afsluttet tidligt (Adv. Energy Mater. 2014, 1400993).

"I en Li-S-celle, dette fænomen er hyppigere og mere alvorligt, fordi svovl- og lithiumsulfidprodukter både er ion- og elektronisolerende og krydskoblingseffekten vil føre til et kraftigt fald i spændingen og energitætheden. Følgelig, det er kritisk vigtigt at designe en anodestruktur med ønskelige elektron- og ionkanaler for at forbedre overførselsegenskaber og genbruge dødt Li i en Li-S-celle, "Qiang fortalte Phys.org.

Baseret på dette koncept, Xin-Bing Cheng, en kandidatstuderende og den første forfatter, foreslået en nanostruktureret grafenramme med Li-aflejring for at være en højeffektiv og højstabil Li-metalanode til Li-S-batterier. I en rutinekonfiguration af Li-metalanode uden grafenramme, Li-dendritter voksede let på rutinemæssige 2D-substrater (såsom Cu-folie). Da roden af ​​dendrit let kan modtage elektronen og derefter opløses tidligere, Li-dendritter brækkede let og blev løsnet fra substratet for at danne død Li. Hvis der er en allerede eksisterende ledende ramme såsom selvunderstøttet grafenskum, den deponerede Li vil blive godt indkvarteret. Fritstående grafenskum giver flere lovende funktioner som underlag til Li-anode, inklusive (1) relativt større overfladeareal end 2D-substrater for at sænke den reelle specifikke overfladestrømtæthed og muligheden for dendritvækst, (2) indbyrdes forbundne rammer til at støtte og genbruge død Li, og (3) god fleksibilitet til at opretholde volumenfluktuationen under gentagen inkorporering/ekstraktion af Li.

"Vi håber, at den kloge kombination af nanoskalateknik og elektrokemi kan hjælpe med at forbedre Coulombic effektivitet og ionledningsevne af Li-metalanode til anvendelser af Li-S-batterier, " sagde Xin-Bing. Fremtidig forskning er påkrævet for at undersøge diffusionen af ​​Li-ioner før og efter krydsning af SEI. Resultaterne indikerede, at nanoskala grænsefladeelektrodekonstruktion kunne være en lovende strategi til at tackle de iboende problemer med lithiummetalanoder og de beskrevne koncepter kaster her et nyt lys mod LMB'er med høj energi-densitet, såsom Li-S og Li-O ₂ batterier.