Nyligen, Forskare vid Tsinghua University har föreslagit en kvävedopad grafenmatris med tätt och likformigt fördelade litiofila funktionella grupper för dendritfria litiummetallanoder, dyker upp i journalen Angewandte Chemie International Edition .

Eftersom litiummetall har en ultrahög teoretisk specifik kapacitet (3860 mAh g-1) och den lägsta negativa elektrokemiska potentialen (-3,040 V jämfört med standardväteelektroden), litiummetall har betraktats som det mest lovande elektrodmaterialet för nästa generations högenergidensitetsbatterier. Dock, användningen av litiummetallbatterier är fortfarande inte i sikte. "Litiumdendrittillväxt har hindrat utvecklingen av litiummetallanoder, " sa Dr Qiang Zhang, motsvarande författare, en fakultet vid institutionen för kemiteknik, Tsinghua-universitetet. "Litiumdendriter som bildas under upprepade litiumplätering och strippningscykler kan inte bara inducera många "döda Li" med irreversibel kapacitetsförlust, men också orsaka interna kortslutningar i batterier och andra farliga problem."

"Vi fann att ett litiofilt material med god metallisk litiumaffinitet kan styra litiummetallkärnan. Därför, att designa en litiumpläteringsmatris med stor yta och litiofil yta är vettigt för en säker och effektiv litiummetallanod, sa Xiao-Ru Chen, en student vid Tsinghua University. "Så vi använde en kvävedopad grafenmatris med tätt och jämnt fördelat kväve som innehåller funktionella grupper för att styra litiummetallkärnbildning och tillväxt."

"De kväveinnehållande funktionella grupperna är litiofila platser, bekräftas av våra experimentella och DFT-beräkningsresultat. Litiummetallburk med enhetlig kärnbildning under laddningsprocessen, följt av tillväxt till dendritfri morfologi. Medan på den normala Cu-foliebaserade anoden, kärnbildningsställena är spridda, som kan orsaka tillväxt av litiumdendrit lättare, sa Xiang Chen, en Ph.D. student vid Tsinghua University.

Med de litiofila kväveinnehållande funktionella grupperna, den N-dopade grafenmatrisen kan reglera kärnbildningsprocessen för litiumelektrodavsättning. Som ett resultat, dendritfria litiummetallavlagringar erhölls. Dessutom, denna matris visar imponerande elektrokemiska prestanda. Coulombic effektiviteten för den N-dopade grafenbaserade elektroden vid en strömtäthet på 1,0 mA cm-2 och en cykelkapacitet på 1,0 mAh cm-2 kan nå 98 procent i nästan 200 cykler.

"Vi har föreslagit en ny strategi baserad på litiofil platsstyrd kärnbildning för att lösa den tuffa dendritutmaningen i denna publikation, ", sa Qiang. "Ytterligare forskning krävs för att undersöka och kontrollera litiumkärnbildningen i litiummetallbatterier. Vi tror att den praktiska tillämpningen av litiummetallanoder äntligen kan förverkligas." Kontrollen av kärnbildningsprocessen för litiumplätering med en litiofil matris har kastat ett nytt ljus över alla litiummetallbaserade batterier, som Li-S, Li-O2 och framtida Li-ion-batterier.