Quan-Hong Yang van Tianjin University en Wei Lv van Graduate School in Shenzhen, Tsinghua University en hun collega's meldden een lichtgewicht, hoog niveau stikstof-doping koolstof nanovezel raamwerk als de huidige collector voor lithiummetaalanoden, die de dendrietgroei zou kunnen beperken en de uniforme lithiumafzetting zou kunnen bereiken. Dit werk is onlangs gepubliceerd in Wetenschap China-materialen .

De groep van Yang en de groep van Lv zijn nog steeds toegewijd aan koolstofmaterialen en hun toepassingen in energieopslag.

De auteurs schrijven, "Ondanks de hoge energiedichtheid van lithium-metaalbatterijen, de hardnekkige dendrietgroei resulteerde in een lage coulombefficiëntie, interne kortsluiting en zelfs gevaarlijke problemen belemmeren het praktische gebruik ervan. Koolstofmaterialen kunnen een belangrijke rol spelen bij het oplossen van bovengenoemde problemen, waardoor de praktische toepassing van lithiummetaalanoden mogelijk wordt."

Onderzoekers hebben zich ingespannen om het lithiumdendrietprobleem op te lossen. De geleidende driedimensionale raamwerkstructuren, zoals de poreuze Cu-stroomcollector en het 3D-grafeenraamwerk, hebben de aandacht getrokken omdat ze de lokale stroomdichtheid kunnen verlagen en grote volumeveranderingen tijdens het fietsen kunnen opvangen.

"Ondanks de uitstekende structuurstabiliteit en superieure elektrische geleidbaarheid, de poreuze metalen stroomafnemer is zwaar, grotendeels omvattende de energiedichtheid, "Yang zei, "het poreuze koolstofframe is lichtgewicht, wat voordelen oplevert voor het verbeteren van de energiedichtheid op basis van het hele apparaat. Toch zijn hun niet-lithiofiele oppervlakken niet ideaal voor de uniforme nucleatie en afzetting van lithium."

Stikstofbevattende functionele groepen op het oppervlak van het koolstofraamwerk kunnen een interactie aangaan met lithiumatomen en de lithiofiliciteit van het koolstofraamwerk verbeteren. Met polyacrylonitride als grondstof, een lichtgewicht en hoge stikstofdoping 3D geleidende koolstof nanovezelmatrix (NCNF) kan gemakkelijk worden bereid door elektrospinning, pre-oxidatie en thermische behandeling.

Het gebruik van NCNF als stroomafnemer heeft verschillende voordelen:

1. Een lichtgewicht matrix kan de hoge specifieke capaciteit van de Li-metaalanode behouden. De dichtheid van NCNF is slechts 0,57 mg/cm2. Wanneer de lithiumlading 4 mAh/cm is ² , de lichtgewicht NCNF zorgt voor een grote capaciteit van 2489,7 mAh/g op basis van NCNF-Li composiet;
2. Hoge specifieke oppervlakte en 3D-structuur zijn nuttig om de lokale stroomdichtheid te verlagen en de grote volumeveranderingen tijdens het fietsen op te vangen;
3. Hoge stikstofdoping garandeert voldoende lage nucleatie overpotentiële locaties op het grote oppervlak van de NCNF, het uniform leiden van lithiumkiemvorming en het onderdrukken van de groei van lithiumdendriet.

Dit resulteerde in een uitstekende cyclusstabiliteit met een hoge coulombefficiëntie van meer dan 98 procent voor meer dan 250 cycli voor lithiumafzetting. Bovendien, wanneer gekoppeld Li@NCNF anode met LiFePO4 om volledige cel te assembleren, verminderde spanningspolarisatie en hoge capaciteitsretentie werden getoond.

Yang zegt, "Dit werk demonstreerde duidelijk de belangrijke rol van de heteroatoomdoping voor de modificatie van het koolstofoppervlak om de uniforme en dendrietvrije metaalanodeafzetting te realiseren, en toonde ook een groot potentieel van lichtgewicht NCNF voor gebruik in op metaal gebaseerde anoden met een hoge energiedichtheid."