Sikre lithium-metal batterier med grafen

For nylig, forskere ved Tsinghua University, Kina har foreslået en grafen-baseret nanostruktureret lithiummetalanode til lithiummetalbatterier for at hæmme dendritvækst og forbedre elektrokemisk ydeevne. De rapporterer deres resultater i Avancerede materialer , offentliggjort den 16. marts, 2016.

"Meget anvendte lithium-ion-batterier kan ikke tilfredsstille det stigende behov for energilagringssystemer i bærbare elektronik- og elektriske køretøjer. Nye lithium-metalanodebatterier, som Li-S og Li-air batterier, er meget eftertragtede. Lithiummetal giver en ekstrem høj teoretisk specifik kapacitet, som er næsten 10 gange mere energi end grafit, " sagde prof. Qiang Zhang, ved Institut for Kemiteknik, Tsinghua Universitet. "Imidlertid, de praktiske anvendelser af lithiummetaller er stærkt hindret af lithiumdendritvækst i kontinuerlige cyklusser. Dette giver anledning til sikkerhedsproblemer. Lithiumdendritterne kan forårsage interne kortslutninger, hvilket resulterer i brand. Desuden, Dannelsen af ​​lithiumdendritter inducerer meget lav cykluseffektivitet." Dendritvæksten og den ustabile faste elektrolytinterfase forbruger store mængder lithium og elektrolyt, og derfor fører til irreversible batterikapacitetstab. Følgelig, hæmning af dendritvæksten forventes stærkt.

Mange tilgange er blevet foreslået til at bremse væksten af ​​dendritter gennem elektrolytmodifikation, kunstige faste elektrolyt-mellemfaselag, elektrodekonstruktion, og andre. "Vi bemærkede, at ved at reducere den lokale strømtæthed kraftigt, lithiumdendritvækst kunne effektivt hæmmes. Baseret på dette koncept, vi brugte ustablet grafen med et ultrahøjt specifikt overfladeareal til at bygge en nanostruktureret anode. Og det viste sig at være en meget effektiv idé, " sagde Rui Zhang, en ph.d. elev og førsteforfatter. "Desuden vi har brugt dobbelt-salt elektrolytten til at opnå en mere stabil og mere fleksibel fast elektrolyt interfase, som kan beskytte lithiummetallet mod yderligere reaktioner med elektrolyt."

Denne grafen-baserede anode tilbød stor forbedring, inklusive (1) ultralav lokal strømtæthed på overfladen af ​​grafenanode (en ti tusindedel af den på rutinemæssige Cu-foliebaserede anoder) induceret af det store specifikke overfladeareal på 1666 m ² g ^-1 , som inhiberede dendritvækst og bragte ensartet lithiumaflejringsmorfologi; (2) høj stabil cykluskapacitet på 4,0 mAh mg ^-1 induceret af det høje porevolumen (1,65 cm ³ g ^-1 ) af ustablet grafen, over 10 gange grafitanode i lithium-ion-batterier (0,372 mAh mg ^-1 ); (3) høj elektrisk ledningsevne (435 S cm ^-1 ), fører til lav grænsefladeimpedans, stabil opladnings-/afladningsydelse, og høj cykeleffektivitet.

"Vi håber, at vores forskning kan pege på en ny strategi til at håndtere dendritudfordringen i lithiummetalanoder. Den ultralave lokale strømtæthed induceret af ledende nanostrukturerede anoder med højt specifikt overfladeareal kan hjælpe med at forbedre stabiliteten og den elektrokemiske ydeevne af lithiummetalanoder , " sagde Xin-Bing Cheng, en medforfatter til værket. Fremtidig undersøgelse er nødvendig for at designe foretrukne anodestrukturer og for at producere mere beskyttende faste elektrolyt-mellemfaselag. Forskerne opfordrer også til yderligere undersøgelse af diffusionsadfærden af ​​Li-ioner og elektroner i processen med lithiumaflejring og stripning for at fremme de kommercielle anvendelser af lithiummetalanoder.