En 1D Li-inneslutbar värd med ett poröst kolskal och litiofila Au-nanopartiklar i kärnan visar förbättrad Li-reversibilitet vid höga hastigheter på grund av den lätta Li+-transporten och Li-dendritundertryckningen genom att lagra Li på kärnplatsen, vilket avslöjar vikten av strukturell design för Li-lagring. Kredit:Korea Electrotechnology Research Institute
En studie av Li-metallbatterier av forskargruppen ledd av Dr. Byung Gon Kim vid Next-Generation Battery Research Center of Korea Electrotechnology Research Institute (KERI) publicerades som en omslagsartikel i den internationella tidskriften ACS Nano i> .
Medan de nuvarande Li-ion-batterierna genererar energi genom att ta Li-joner in och ut ur grafitanoden baserat på interkaleringsmekanismen, litar Li-metallbatteriet inte på denna skrymmande och tunga grafit utan använder metalliskt Li som anod. Eftersom Li-metallen visar 10 gånger högre teoretisk kapacitet (3 860 mAh/g) än grafit (372 mAh/g), har den stadigt fått mycket uppmärksamhet från områden som behöver batterier med hög kapacitet, såsom elfordon och energilagringssystem.
Trots denna fördel kan Li växa i form av en trädgren, kallad Li-dendrit, om den inte lagras enhetligt och effektivt under cyklingsprocessen, vilket leder till stor volymexpansion av elektroden, vilket i sin tur kan förkorta batteriets livslängd. och orsaka säkerhetsproblem som brand och explosion som utlöses av interna kortslutningar.
För att ta itu med detta problem utvecklade KERI 1D Li-confinable porös kolstruktur med en ihålig kärna, och ett litet antal guld-nanopartiklar med Li-affinitet lades till den ihåliga kärnan. Här styr guldet tillväxtriktningen för Li genom att preferentiellt reagera med Li, och därigenom inducera Li-avsättning inuti kärnan. Dessutom bildas många porer i nanostorlek i skaldelen för att förbättra Li-jonens rörelse mot kärnutrymmet.
En stor utmaning som observerades i den befintliga Li-värden med ihåliga kärna-skal var Li-avsättningen på det ledande kolskalet, inte inuti kärnan, under höghastighetsladdningsförhållanden. Därför introducerade KERI-teamet många porer i nanostorlek i skalet och uppnådde avsevärt förbättrad coulombisk effektivitet utan Li-dendrittillväxt även under ett testförhållande med hög ström på 5 mA/cm 2 .
Dr. Kims team samarbetade med prof. Janghyuk Moon vid Chung-Ang University för teoretisk validering av effektiviteten av detta materials design, och simuleringsresultaten visade att den minskade Li-jondiffusionslängden av skalporerna och förbättrad Li-affinitet av guldnanopartiklarna höll Li-avsättning inuti strukturen även under högströmsladdning. Dessutom visade den designade Li-värden utmärkta cykelprestanda på över 500 cykler under en hög strömtäthet på 4C (82,5 % kapacitetsretention). Det är också anmärkningsvärt att denna teknik möter praktiska egenskaper eftersom teamet använde elektrospinningstekniken med fördelar i massproduktion för materialsyntes.
"Trots fördelen med hög kapacitet har Li-metallbatterierna många hinder att övervinna för kommersialisering, främst på grund av stabilitets- och säkerhetsproblem", säger Dr. Kim. Och Dr. Kim sa också, "Vår studie är ovärderlig eftersom vi utvecklade en teknik för massproduktion av Li-metallreservoar med hög coulombisk effektivitet för snabbuppladdningsbara Li-metallbatterier."
Denna studie av KERIs forskargrupp publicerades som ett kompletterande omslagspapper i augustiupplagan av ACS Nano . + Utforska vidare
