Nyligen, forskare vid Tsinghua University, Kina har föreslagit en grafenbaserad nanostrukturerad litiummetallanod för litiummetallbatterier för att hämma dendrittillväxt och förbättra elektrokemiska prestanda. De rapporterar sina fynd i Avancerade material , publicerad den 16 mars, 2016.
"Litiumjonbatterier som används ofta kan inte tillgodose det ökande kravet på energilagringssystem i bärbar elektronik och elfordon. Nya litiummetallanodbatterier, som Li-S och Li-air batterier, är mycket eftertraktade. Litiummetall ger en extremt hög teoretisk specifik kapacitet, vilket är nästan 10 gånger mer energi än grafit, "sade professor Qiang Zhang, vid Institutionen för kemiteknik, Tsinghua-universitetet. "Dock, de praktiska tillämpningarna av litiummetaller hindras starkt av litiumdendrittillväxt i kontinuerliga cykler. Detta orsakar säkerhetsproblem. Litiumdendriter kan orsaka inre kortslutningar som kan leda till brand. Vidare, bildandet av litiumdendriter inducerar mycket låg cykeleffektivitet. "Dendrittillväxten och den instabila fasta elektrolytinterfasen förbrukar stora mängder litium och elektrolyt, vilket leder till irreversibla batterikapacitetsförluster. Följaktligen, hämmar dendriternas tillväxt är mycket förväntat.
Många metoder har föreslagits för att bromsa tillväxten av dendriter genom elektrolytmodifiering, konstgjorda fasta elektrolytgränsskikt, elektrodkonstruktion, och andra. "Vi märkte att genom att minska den lokala strömtätheten kraftigt, litiumdendrittillväxt kan effektivt hämmas. Baserat på detta koncept, vi använde ostaplad grafen med en ultrahög specifik yta för att bygga en nanostrukturerad anod. Och det visade sig vara en mycket effektiv idé, "sa Rui Zhang, en doktorsexamen student och den första författaren. "Dessutom, vi har använt dubbla saltelektrolyten för att förvärva en mer stabil och mer flexibel fast elektrolytinterfas, som kan skydda litiummetallen från ytterligare reaktioner med elektrolyt. "
Denna grafenbaserade anod erbjöd stor förbättring, inklusive (1) ultralåg lokal strömtäthet på ytan av grafenanod (en tiotusendel av den på rutinmässiga Cu-foliebaserade anoder) inducerad av den stora specifika ytarean på 1666 m 2 g -1 , som hämmade dendrittillväxt och medförde likformig litiumavsättningsmorfologi; (2) hög stabil cykelkapacitet på 4,0 mAh mg -1 inducerad av den höga porvolymen (1,65 cm 3 g -1 ) av ostaplad grafen, över 10 gånger grafitanoden i litiumjonbatterier (0,372 mAh mg -1 ); (3) hög elektrisk konduktivitet (435 S cm -1 ), vilket leder till låg gränssnittsimpedans, stabil laddnings-/urladdningsprestanda, och hög cykeleffektivitet.
"Vi hoppas att vår forskning kan peka ut en ny strategi för att hantera dendritutmaningen i litiummetallanoder. Den ultralåga lokala strömtätheten som orsakas av ledande nanostrukturerade anoder med hög specifik ytarea kan bidra till att förbättra stabiliteten och elektrokemiska prestandan hos litiummetallanoder , "sa Xin-Bing Cheng, medförfattare till verket. Framtida undersökningar krävs för att utforma föredragna anodstrukturer och för att producera mer skyddande fasta elektrolytgränsskikt. Forskarna efterlyser också ytterligare studier av diffusionsbeteendet hos joner och elektroner vid litiumavsättning och strippning för att främja de kommersiella tillämpningarna av litiummetallanoder.
