Litium (Li) metallanoder, med den högsta specifika kapaciteten (3 860 mAh g -1 ) och den lägsta redoxpotentialen (-3,04 V vs. standardväteelektrod), anses vara ett potentiellt alternativ för nästa generations litiumbatterier med hög energidensitet. Det instabila elektrolyt-Li-metallanodgränssnittet har dock varit det största hindret för den praktiska tillämpningen av Li-metallanodbatterier.
Forskare under ledning av Prof. Bai Shuo och Prof. Li Feng från Institute of Metal Research (IMR) vid den kinesiska vetenskapsakademin (CAS), tillsammans med Prof. Tan Jun från Ji Hua Laboratory, har uppnått den rumsligt selektiva distributionen av målinriktad solvatiseringsstruktur av joner vid elektrolyt-anod-gränssnittet genom att tillverka mikro-arrayer av nano-hydroxiapatit (nHA) med hög Li + bindningsenergi på koppar (Cu) folie.
Deras arbete publicerades i Advanced Materials .
Enligt forskarna är nyckeln till en stabil Li-metallanod att konstruera en robust solid electrolyte interface (SEI) film vid elektrolyt-anod-gränssnittet. Det mest idealiska tillvägagångssättet är att optimera den solvatiserade strukturen hos jonerna i elektrolyten, särskilt vid gränsytan mellan elektrolyt och anod, samtidigt som bulkelektrolytens egenskaper bibehålls.
De fann att de elektronegativa nHA-partiklarna med hög Li + bindningsenergi kan effektivt ställa in solvatiseringsstrukturen för joner i elektrolyten. Li + kommer företrädesvis att migrera till ytan av nHA-partikeln och bilda en lokal Li + -rik region runt nHA-partikeln, där anjoner kan interagera med mer Li + för att bilda multikoordinerade anjoner.
Baserat på detta fynd, bereds mikro-arrayer av nHA vidare på Cu-folie (strömsamlare av anoden) för att företrädesvis bilda multikoordinerade anjoner vid elektrolyt-anod-gränssnittet. Samtidigt verifierar experimentet också att mikro-arrayerna inte påverkar solvatiseringsstrukturen för bulkelektrolyten.
I allmänhet stöts okoordinerade anjoner kraftigt bort av den elektronrika anoden, vilket kraftigt minskar anjonernas nedbrytningseffektivitet. I denna studie, med hjälp av nHA-mikro-arrayer, kan de multikoordinerade anjonerna vid elektrolyt-anod-gränssnittet bäras av Li + för att effektivt korsa det elektriska dubbelskiktet på anoden, vilket är önskvärt för en anjonhärledd SEI-film. Anjonerna i elektrolyten sönderdelas mer fullständigt till mycket skyddande oorganiska komponenter i SEI-filmen, vilket effektivt kan undertrycka dendrittillväxten på anoden.
Som ett resultat, vid höga laddnings-urladdningsströmtätheter, minskar risken avsevärt för den ökända mikrokortslutningen i Li-metallbatterier.
Upptäckten av elektronegativa material som avstämmer lokal solvatiseringsstruktur i elektrolyten ger nya designprinciper för att bygga robust SEI för stabila Li-metallbatterier.
Mer information: Haorui Shen et al, Spatial Selective Solvation Structure by Electronegative Micro-Arrays for stabil Lithium-Metal Anode Interface, Avancerade material (2023). DOI:10.1002/adma.202306553
Journalinformation: Avancerat material
Tillhandahålls av Chinese Academy of Sciences
