Quan-Hong Yang från Tianjin University och Wei Lv från Graduate School i Shenzhen, Tsinghua University med sina medarbetare rapporterade en lätt, högnivåkvävedopande kolnanofiberramverk som strömsamlare för litiummetallanoder, vilket skulle kunna begränsa dendrittillväxten och uppnå den enhetliga litiumavsättningen. Detta arbete publicerades nyligen i Vetenskap Kina Material .

Yangs grupp och Lvs grupp ägnar sig fortfarande åt kolmaterial och deras tillämpningar vid energilagring.

Författarna skriver, "Trots den höga energitätheten hos litiummetallbatterier, den svårhanterliga dendrittillväxten resulterade i låg coulombisk effektivitet, intern kortslutning och även farliga problem hindrar deras praktiska användning. Kolmaterial kan spela en betydande roll för att lösa ovan nämnda problem, möjliggör praktisk tillämpning av litiummetallanoder."

Forskare har ansträngt sig för att lösa problemet med litiumdendrit. De ledande tredimensionella ramstrukturerna, som den porösa Cu-strömsamlaren och 3D-grafenramverket, har uppmärksammats eftersom de kan sänka lokal strömtäthet och ta emot stora volymförändringar under cykling.

"Trots den utmärkta strukturstabiliteten och överlägsna elektriska ledningsförmågan, den porösa metallströmavtagaren är tung, omfattande energitätheten, "Yang sa, "det porösa kolramverket är lätt, vilket gynnar att förbättra energitätheten baserat på hela enheten. Ändå är deras icke-litiofila ytor inte idealiska för enhetlig kärnbildning och avsättning av litium."

Kvävehaltiga funktionella grupper på kolramverkets yta kan interagera med litiumatomer och förbättra litiofilicitet hos kolramverket. Använda polyakrylnitrid som råmaterial, en lätt och högkvävedopande 3D-konduktiv kolnanofibermatris (NCNF) kan enkelt framställas genom elektrospinning, föroxidation och termisk behandling.

Användningen av NCNF som den nuvarande samlaren har flera fördelar:

1. En lättviktsmatris kan bibehålla den höga specifika kapaciteten hos Li-metallanod. Densiteten för NCNF är endast 0,57 mg/cm2. När litiumbelastningen är 4 mAh/cm ² , den lätta NCNF ger en stor kapacitet på 2489,7 mAh/g baserat på NCNF-Li-komposit;
2. Hög specifik ytarea och 3-D-struktur är till hjälp för att sänka den lokala strömtätheten och tillgodose de stora volymförändringarna under cykling;
3. Hög kvävedopning garanterar tillräckligt med låg kärnbildningsöverpotential på den stora ytan av NCNF, styr litiumkärnbildning enhetligt och undertrycker tillväxten av litiumdendrit.

Dessa resulterade i utmärkt cykelstabilitet med en hög coulombisk effektivitet på över 98 procent under mer än 250 cykler för litiumavsättning. Dessutom, när den paras ihop Li@NCNF-anod med LiFePO4 för att montera full cell, reducerad spänningspolarisation och hög kapacitetsretention visades.

Yang säger, "Detta arbete visade tydligt de viktiga rollerna för heteroatomdopningen för modifiering av kolytan för att realisera den enhetliga och dendritfria metallanodavsättningen, och visade också stor potential för lättvikts-NCNF för användning i metallbaserade anoder med hög energitäthet."