Grafitanoder har använts i stor utsträckning för litiumjonbatterier (LIB) under de senaste två decennierna. Ersättningen av metalliskt litium med grafit möjliggör säker och högeffektiv drift av LIB, dock, avsevärt offra specifik kapacitet och energitäthet. Faktiskt, som den "heliga gralen" av litiumbatterier, litiummetallanoder uppvisar en mycket hög teoretisk specifik kapacitet på 3860 mAh g −1 och den lägsta negativa redoxpotentialen på -3,040 V jämfört med standardväteelektrod. Dock, litiumdendriterna som bildas och förlängs under cykling kan tränga igenom polymerseparatorn, vilket resulterar i en kortslutning och efterföljande termisk spridning av batteriet.
'Dendriterna induceras huvudsakligen av inhomogen fördelning av både strömtätheten på litiumanoden och koncentrationsgradienten för litiumjoner vid gränsytan mellan elektrolyt och elektrod, " förklarade Dr. Qiang Zhang vid Institutionen för kemiteknik, Tsinghua University i Peking, "dendritbildningen och tillväxten kommer att försenas om stabiliteten och enhetligheten i gränssnitten mellan elektrolyter och litiumelektrod förbättras".
Qiang nämnde också konventionella strategier för att modifiera gränssnittet genom att använda elektrolyttillsatser, hybridelektrolyter, polymerelektrolyter, och skyddande lager. 'Faktiskt, ett mycket färskt arbete som rapporterats av Dr. Yi Cuis grupp från Stanford University illustrerade att beläggning av litiummetallanoder med ett monolager av sammankopplade amorfa ihåliga kolnanosfärer kan isolera litiummetallavlagringarna och stabilisera fasta elektrolyter mellan faser, vilket är en lovande strategi för att ta itu med dendritproblemen med metallanoder. Om nanostrukturerna hos metallanoder är väl utformade, tillväxtbeteendet för avsatt litium kommer att kontrolleras medvetet.' Qiang berättade för phys.org.
Häri, en ny tredimensionell (3D) nanostrukturerad anod med metalliskt litium i en fibrös Li7B 6 matris föreslogs för att bromsa dendrittillväxten. En sådan nanostrukturerad anod uppvisade enastående lång livslängd och hög coulombisk effektivitet bortom plåtlitiummetall.
"Den mest imponerande egenskapen hos anoden är den fibrösa nanostrukturen hos Li 7 B 6 ställning, ' Xin-Bing Cheng, en doktorand och första författare, förklarade. 'Litiumavsättningen är självbegränsande i nanoskala på grund av den mycket minskade storleken på Li 7 B 6 nanofibrer bortom litiumfolier. Således, bildning av litiumdendriter i makroskala undviks. Denna gynnsamma självbegränsade egendom tillskrivs huvudsakligen begränsad insättningsgrad av litium.'
Avsättningshastigheten för litium beror starkt på den specifika storleken på substraten, som i detta fall är gradvis odlade litiumavlagringar och konstant inert Li 7 B 6 nanofibrer. När litiumavsättningen väl börjar, den växer kontinuerligt eftersom den ursprungliga litiumavlagringen har en liten storlek som håller en stark elektrisk fältstyrka, gynnar således adsorptionen och avsättningen av litiumjoner. När storleken på litiumavlagringen kontinuerligt ökar till matrisens storlek, avsättningarnas förmåga att adsorbera litiumjoner kommer att vara lägre än Li 7 B 6 fibrer och sedan litiumjoner tenderar att avsättas på matrisen snarare än på dendriterna.
'Följaktligen, den nanostrukturerade anoden minskar inte bara den areella strömtätheten, som sänker tillväxthastigheten för litiumavlagringar, men begränsar också den slutliga storleken på avsatt litium, vilket leder till dendritfria morfologin i makroskala.' sa Xin-Bing.
Dessutom, den nanostrukturerade anoden har andra fördelar. Till exempel, det ger också tillräckligt med utrymme för att rymma elektrolyten och stabilisera koncentrationen av litiumjoner, vilket också gynnar en dendritfri fastighet. Li 7 B 6 fibrer är mekaniskt styva nog att upprätthålla sin struktur. När den nanostrukturerade anoden sattes ihop med svavelkatod, cykellivslängden ökade drastiskt till 2000 cykler, långt bortom rutinmässig platta litiumfolieanod. De detaljerade resultaten publicerades som en snabb kommunikation i Små .
"Den rationella arkitektoniska designen av metallanod är en effektiv metod för att justera tillväxtbeteendet hos avsatt metall." som Dr Zhang påpekade, "mer avancerade dendritfria metallanoder baserade på konstruerade nanostrukturer för att tillfredsställa efterfrågan på fungerande batterier kommer att undersökas."
