Grafietanoden zijn de afgelopen twee decennia op grote schaal gebruikt voor lithium-ionbatterijen (LIB's). De vervanging van metallisch lithium door grafiet maakt een veilige en zeer efficiënte werking van LIB's mogelijk, echter, specifieke capaciteit en energiedichtheid aanzienlijk opofferen. In feite, als de "Heilige Graal" van lithiumbatterijen, lithiummetaalanoden vertonen een zeer hoge theoretische specifieke capaciteit van 3860 mAh g ⁻¹ en de laagste negatieve redoxpotentiaal van -3,040 V vs. standaard waterstofelektrode. Echter, de lithiumdendrieten die zich tijdens het fietsen vormen en verlengen, kunnen de polymeerscheider doorboren, resulterend in een kortsluiting en daaropvolgende thermische runaway van de batterij.

'De dendrieten worden voornamelijk veroorzaakt door een inhomogene verdeling van zowel de stroomdichtheid op de lithiumanode als de concentratiegradiënt van lithiumionen op het elektrolyt/elektrode-interface, ' verklaarde Dr. Qiang Zhang van het Department of Chemical Engineering, Tsinghua-universiteit in Peking, 'de vorming en groei van dendrieten zal worden vertraagd als de stabiliteit en uniformiteit van de interfaces tussen elektrolyten en lithiumelektrode worden verbeterd'.

Qiang noemde ook conventionele strategieën om de interface te wijzigen door elektrolytadditieven te gebruiken, hybride elektrolyten, polymeer elektrolyten, en beschermende lagen. 'In feite, een zeer recent werk gerapporteerd door Dr. Yi Cui's groep van Stanford University illustreerde dat het coaten van lithiummetaalanoden met een monolaag van onderling verbonden amorfe holle koolstofnanobolletjes de lithiummetaalafzettingen kan isoleren en de vaste elektrolyt-interfase kan stabiliseren, wat een veelbelovende strategie is om de dendrietproblemen van metalen anodes aan te pakken. Als de nanostructuren van metalen anodes goed zijn ontworpen, het groeigedrag van afgezet lithium wordt bewust gestuurd.' Qiang vertelde phys.org.

Hierin, een nieuwe driedimensionale (3D) nanogestructureerde anode met metallisch lithium in een vezelige Li7B ₆ matrix werd voorgesteld om de dendrietgroei te vertragen. Zo'n nanogestructureerde anode vertoonde een ongekend lange levensduur en een hoge coulombefficiëntie buiten plaatlithiummetaal.

'Het meest indrukwekkende kenmerk van de anode is de vezelige nanostructuur van Li ₇ B ₆ steiger, 'Xin-Bing Cheng, een afgestudeerde student en de eerste auteur, uitgelegd. 'De lithiumdepositie is zelfbeperkt op nanoschaal vanwege de veel kleinere omvang van Li ₇ B ₆ nanovezels voorbij lithiumfolies. Dus, vorming van lithiumdendrieten op macroschaal wordt vermeden. Deze gunstige zelfbeperkende eigenschap wordt voornamelijk toegeschreven aan de beperkte depositiesnelheid van lithium.'

De depositiesnelheid van lithium is sterk afhankelijk van de specifieke grootte van de substraten, die in dit geval zijn geleidelijk gegroeide lithiumafzettingen en constante inerte Li ₇ B ₆ nanovezels. Zodra de lithiumafzetting begint, het groeit continu omdat de initiële lithiumafzetting een kleine omvang heeft die een sterke elektrische veldsterkte heeft, waardoor de adsorptie en afzetting van lithiumionen wordt bevorderd. Wanneer de grootte van lithiumafzetting continu toeneemt tot die van de matrix, het vermogen van afzettingen om lithiumionen te adsorberen zal lager zijn dan dat van Li ₇ B ₆ vezels en dan hebben lithiumionen de neiging zich op de matrix af te zetten in plaats van op de dendrieten.

'Bijgevolg, de nanogestructureerde anode vermindert niet alleen de oppervlaktestroomdichtheid, die de groeisnelheid van lithiumafzettingen verlaagt, maar beperkt ook de uiteindelijke grootte van afgezet lithium, wat leidt tot de dendrietvrije morfologie op macroschaal.' zei Xin-Bing.

Aanvullend, de nanogestructureerde anode heeft nog andere voordelen. Bijvoorbeeld, het biedt ook voldoende ruimte om de elektrolyt op te nemen en zo de concentratie van lithiumionen te stabiliseren, wat ook een dendrietvrije eigenschap ten goede komt. de Li ₇ B ₆ vezels zijn mechanisch stijf genoeg om hun structuur te ondersteunen. Toen de nanogestructureerde anode werd geassembleerd met zwavelkathode, levenscyclus werd drastisch opgevoerd tot 2000 cycli, veel verder dan de gewone anode met lithiumfolie. De gedetailleerde bevindingen werden gepubliceerd als een snelle mededeling in Klein .

'Het rationeel architectonisch ontwerp van een metalen anode is een efficiënte methode om het groeigedrag van afgezet metaal af te stemmen.' zoals Dr. Zhang opmerkte, 'Er zullen meer geavanceerde dendrietvrije metaalanoden worden onderzocht op basis van gemanipuleerde nanostructuren om aan de vraag naar werkende batterijen te voldoen.'