Lithium (Li) metaalanodes, met de hoogste specifieke capaciteit (3.860 mAh g ^-1 ) en het laagste redoxpotentieel (-3,04 V versus standaard waterstofelektrode), worden beschouwd als een potentieel alternatief voor de volgende generatie lithiumbatterijen met hoge energiedichtheid. De onstabiele interface tussen elektrolyt en Li-metaalanode is echter het grootste obstakel geweest voor de praktische toepassing van Li-metaalanodebatterijen.

Onderzoekers onder leiding van prof. Bai Shuo en prof. Li Feng van het Institute of Metal Research (IMR) van de Chinese Academie van Wetenschappen (CAS), samen met prof. Tan Jun van het Ji Hua Laboratory, hebben de ruimtelijk selectieve verdeling van de gerichte solvatatiestructuur van ionen op het grensvlak tussen elektrolyt en anode door microarrays van nano-hydroxyapatiet (nHA) met hoge Li ⁺ te vervaardigen bindingsenergie op koperfolie (Cu).

Hun werk werd gepubliceerd in Advanced Materials .

Volgens de onderzoekers is de sleutel tot een stabiele Li-metaalanode het construeren van een robuuste vaste elektrolytinterfacefilm (SEI) op het elektrolyt-anodegrensvlak. De meest ideale aanpak is het optimaliseren van de gesolvateerde structuur van de ionen in de elektrolyt, vooral op het grensvlak tussen elektrolyt en anode, terwijl de eigenschappen van de bulkelektrolyt behouden blijven.

Ze ontdekten dat de elektronegatieve nHA-deeltjes een hoog Li ⁺ -gehalte hebben bindingsenergie kan de solvatatiestructuur van ionen in de elektrolyt effectief afstemmen. Li ⁺ migreert bij voorkeur naar het oppervlak van het nHA-deeltje en vormt een lokaal Li ⁺ -rijk gebied rond het nHA-deeltje, waar anionen kunnen interageren met meer Li ⁺ om multi-gecoördineerde anionen te vormen.

Op basis van deze bevinding worden microarrays van nHA verder voorbereid op Cu-folie (stroomcollector van de anode) om bij voorkeur multi-gecoördineerde anionen te vormen op het grensvlak tussen elektrolyt en anode. Ondertussen verifieert het experiment ook dat de microarrays de solvatatiestructuur van de bulkelektrolyt niet beïnvloeden.

Over het algemeen worden ongecoördineerde anionen sterk afgestoten door de elektronenrijke anode, wat de ontledingsefficiëntie van de anionen aanzienlijk vermindert. In deze studie kunnen met behulp van nHA-microarrays de meervoudig gecoördineerde anionen op het elektrolyt-anode-grensvlak worden gedragen door Li ⁺ om effectief de elektrische dubbellaag op de anode te passeren, wat gewenst is voor een van anionen afgeleide SEI-film. De anionen in de elektrolyt worden vollediger afgebroken tot zeer beschermende anorganische componenten in de SEI-film, die de dendrietgroei op de anode effectief kunnen onderdrukken.

Als gevolg hiervan wordt bij hoge laad-ontlaadstroomdichtheden het risico op de beruchte microkortsluiting in Li-metaalbatterijen aanzienlijk verminderd.

De vondst van elektronegatieve materialen die de lokale solvatatiestructuur in de elektrolyt afstemmen, biedt nieuwe ontwerpprincipes voor het bouwen van robuuste SEI voor stabiele Li-metaalbatterijen.

Meer informatie: Haorui Shen et al, Ruimtelijk selectieve solvatiestructuur door elektronegatieve microarrays voor stabiele lithium-metaalanode-interface, Geavanceerde materialen (2023). DOI:10.1002/adma.202306553

Journaalinformatie: Geavanceerde materialen

Aangeboden door de Chinese Academie van Wetenschappen