Forskare har föreslagit en effektiv och stabil tvåfas litiummetallanod för Li-S-batterier, innehållande polysulfid-inducerad fast elektrolyt interfas och nanostrukturerad grafen ram vid Tsinghua University, dyker upp i ACS Nano .

Bland olika lovande batterikandidater med hög energitäthet, Li-S batterier, med en hög teoretisk kapacitet på 1675 mAh g ^-1 (baserat på svavel) och en energitäthet på 2600 Wh kg ^-1 (baserat på Li-S redoxparet), är högt övervägda. "Den överlägsna egenskapen skapar den enorma potentialen hos Li-S-batterier i bärbar elektronik, elektriska fordon, och skörd av förnybar energi, " sa Dr Qiang Zhang, en docent vid institutionen för kemiteknik, Tsinghua-universitetet. "Trots dessa fördelar, många hinder måste fortfarande övervinnas för praktiska tillämpningar av Li-S-batterier, såsom den låga ledningsförmågan hos svavel, skytteln av långkedjiga polysulfidmellanprodukter i svavelkatoden och Li-dendritproblem i Li-metallanoden. I förhållande till den breda forskningen inom katod och elektrolyt, Li-metall i anoden har fått få uppmärksamhet."

Bildandet av Li-dendriter är ett primärt problem för Li-metallbatterier inklusive Li-S-batterier, vilket alltid leder till allvarliga säkerhetsproblem och låg Coulombic effektivitet. Li-dendriter är bland de tuffaste problemen med Li-metallanoder, dock, det är inte den exklusiva. Forskare från Pacific Northwest National Laboratory upptäckte en ny felmekanism för Li-metallanoder, att anodens porösa interfas växte inåt mot den bulk (färska) Li-metallen, som utvecklades till ett rörigt och mycket motståndskraftigt lager och, Således, resulterade i enormt överföringsmotstånd och att en stor mängd Li-metall tappade kontakten med elektroner (död Li) i det inerta lagret. Innan dendritinducerade kortslutningen, batteriets impedans eskalerade kraftigt och livslängden avbröts tidigt (Adv. Energy Mater. 2014, 1400993).

"I en Li-S-cell, detta fenomen är mer frekvent och allvarligt, eftersom svavel- och litiumsulfidprodukter är både jon- och elektronisolerande och korskopplingseffekten kommer att leda till en kraftig minskning av spänningen och energitätheten. Följaktligen, det är ytterst viktigt att utforma en anodstruktur med önskvärda elektron- och jonkanaler för att förbättra överföringsegenskaperna och återvinna död Li i en Li-S-cell, " berättade Qiang för Phys.org.

Baserat på detta koncept, Xin-Bing Cheng, en doktorand och första författare, föreslog ett nanostrukturerat grafenramverk med Li-avsättning för att vara en högeffektiv och högstabil Li-metallanod för Li-S-batterier. I en rutinkonfiguration av Li-metallanod utan grafenramverk, Li-dendriter växte lätt på rutinmässiga 2D-substrat (som Cu-folie). Eftersom roten av dendriter lätt kan ta emot elektronen och sedan lösas upp tidigare, Li-dendriter spricker lätt och lossades från substratet för att bilda död Li. Om det finns ett redan existerande ledande ramverk som självbärande grafenskum, den deponerade Li kommer att rymmas väl. Fristående grafenskum ger flera lovande egenskaper som underskikt för Li-anod, inklusive (1) relativt större ytarea än 2D-substrat för att sänka den verkliga specifika ytströmtätheten och möjligheten för dendrittillväxt, (2) sammanlänkade ramverk för att stödja och återvinna död Li, och (3) god flexibilitet för att upprätthålla volymfluktuationen under upprepad inkorporering/extraktion av Li.

"Vi hoppas att den kloka kombinationen av ingenjörskonst i nanoskala och elektrokemi kan bidra till att förbättra Coulombic effektivitet och jonledningsförmåga för Li-metallanod för tillämpningar av Li-S-batterier, ", sa Xin-Bing. Framtida forskning krävs för att undersöka diffusionen av Li-joner före och efter korsning av SEI. Resultaten visade att nanoskala gränssnittselektrodteknik kan vara en lovande strategi för att ta itu med de inneboende problemen med litiummetallanoder och de beskrivna koncepten häri kastar ett nytt ljus mot LMBs med hög energidensitet, som Li-S och Li-O ₂ batterier.