Dendritfri litiummetalanoder ved hjælp af N-doteret grafenmatrix

For nylig, Forskere ved Tsinghua University har foreslået en nitrogendoperet grafenmatrix med tæt og ensartet fordelt litiofile funktionelle grupper til dendritfrie litiummetalanoder, optræder i journalen Angewandte Chemie International Edition .

Da lithiummetal besidder en ultrahøj teoretisk specifik kapacitet (3860 mAh g-1) og det laveste negative elektrokemiske potentiale (-3.040 V vs. standardbrintelektroden), lithiummetal er blevet betragtet som det mest lovende elektrodemateriale til næste generations batterier med høj energi-densitet. Imidlertid, anvendelsen af ​​litiummetalbatterier er stadig ikke i sigte. "Lithium dendritvækst har hindret udviklingen af ​​lithiummetalanoder, "sagde Dr. Qiang Zhang, den tilsvarende forfatter, et fakultet ved Institut for Kemiteknik, Tsinghua Universitet. "Lithiumdendritter, der dannes under gentagne lithiumpletterings- og strippecyklusser, kan ikke kun fremkalde mange 'døde Li' med irreversibelt kapacitetstab, men også forårsage interne kortslutninger i batterier og andre farlige problemer. "

"Vi fandt ud af, at et litiofilt materiale med god metallisk litiumaffinitet kan styre litiummetalkernen. Derfor kan at designe en lithium-plating matrix med et højt overfladeareal og litiophilic overflade giver mening for en sikker og effektiv lithium metal anode, "sagde Xiao-Ru Chen, en bachelorstuderende ved Tsinghua University. "Så vi benyttede en nitrogendoperet grafenmatrix med tæt og ensartet fordelt nitrogenholdige funktionelle grupper til at styre lithiummetalkerndannelse og vækst."

"De nitrogenholdige funktionelle grupper er lithiofile steder, bekræftet af vores eksperimentelle og DFT -beregningsresultater. Litiummetalbeholder med ensartet kernedannelse under opladningsprocessen, efterfulgt af vækst til dendritfri morfologi. Mens den er på den normale Cu-foliebaserede anode, nukleationsstederne er spredt, hvilket lettere kan forårsage lithiumdendritvækst, "sagde Xiang Chen, en ph.d. studerende ved Tsinghua University.

Med de lithiofile nitrogenholdige funktionelle grupper, den N-dopede grafenmatrix kan regulere nukleationsprocessen for lithiumelektroaflejring. Som resultat, Der blev opnået dendritfri lithiummetalaflejringer. Derudover denne matrix viser imponerende elektrokemisk ydeevne. Coulombic-effektiviteten af ​​den N-dopede grafenbaserede elektrode ved en strømtæthed på 1,0 mA cm-2 og en cykluskapacitet på 1,0 mAh cm-2 kan nå 98 procent i næsten 200 cyklusser.

"Vi har foreslået en ny strategi baseret på lithiophil site-guided nucleation for at løse den hårde dendritudfordring i denne publikation, "sagde Qiang." Yderligere forskning er påkrævet for at undersøge og kontrollere lithiumkernen i lithiummetalbatterier. Vi mener, at den praktiske anvendelse af litiummetalanoder endelig kan realiseres. "Styringen af ​​nukleationsprocessen ved lithiumbelægning med en lithiophil matrix har kastet et nyt lys over alle litiummetalbaserede batterier, såsom Li-S, Li-O2 og fremtidige Li-ion batterier.