Onderzoekers hebben een efficiënte en stabiele tweefasige lithiummetaalanode voor Li-S-batterijen voorgesteld, met polysulfide-geïnduceerde vaste elektrolyt-interfase en nanogestructureerd grafeenraamwerk aan de Tsinghua University, verschijnen in ACS Nano .

Onder verschillende veelbelovende batterijkandidaten met hoge energiedichtheden, Li-S-batterijen, met een hoge theoretische capaciteit van 1675 mAh g ^-1 (op basis van zwavel) en een energiedichtheid van 2600 Wh kg ^-1 (gebaseerd op het Li-S redox-paar), worden hoog in het vaandel gedragen. "De superieure eigenschap leidt tot het enorme potentieel van Li-S-batterijen in draagbare elektronica, elektrische voertuigen, en de oogst van hernieuwbare energie, " zei Dr. Qiang Zhang, een universitair hoofddocent bij de afdeling Chemische Technologie, Tsinghua universiteit. "Ondanks deze voordelen, er moeten nog veel obstakels worden overwonnen voor praktische toepassingen van Li-S-batterijen, zoals de lage geleidbaarheid van zwavel, de shuttle van polysulfide-tussenproducten met lange keten in de zwavelkathode en Li-dendrietproblemen in de Li-metaalanode. Ten opzichte van het brede onderzoek in de kathode en elektrolyt, Li-metaal in de anode heeft weinig aandacht gekregen."

De vorming van Li-dendrieten is een primair probleem voor Li-metaalbatterijen, waaronder Li-S-batterijen, wat altijd leidt tot ernstige veiligheidsproblemen en een lage Coulomb-efficiëntie. Li-dendrieten behoren tot de moeilijkste problemen van Li-metaalanode, echter, het is niet de exclusieve. Onderzoekers van Pacific Northwest National Laboratory ontdekten een nieuw faalmechanisme van Li-metaalanoden, dat de poreuze interfase van de anode naar binnen groeide in de richting van het bulk (verse) Li-metaal, die evolueerde naar een rommelige en zeer resistente laag en, dus, resulteerde in een enorme overdrachtsweerstand en een grote hoeveelheid Li-metaal dat contact verloor met elektronen (dode Li) in de inerte laag. Vóór de dendriet-geïnduceerde kortsluiting, de impedantie van de batterij escaleerde sterk en de levensduur werd vroegtijdig beëindigd (Adv. Energy Mater. 2014, 1400993).

"In een Li-S-cel, dit fenomeen komt vaker voor en is ernstiger, omdat zwavel- en lithiumsulfideproducten zowel ion- als elektronenisolerend zijn en het kruiskoppelingseffect zal leiden tot een sterke afname van de spanning en energiedichtheid. Bijgevolg, het is van cruciaal belang om een ​​anodestructuur te ontwerpen met gewenste elektronen- en ionenkanalen om de overdrachtseigenschappen te verbeteren en dode Li in een Li-S-cel te recyclen, " vertelde Qiang aan Phys.org.

Op basis van dit begrip, Xin Bing Cheng, een afgestudeerde student en de eerste auteur, stelde een nanogestructureerd grafeenraamwerk met Li-afzetting voor als een zeer efficiënte en zeer stabiele Li-metaalanode voor Li-S-batterijen. In een routineconfiguratie van Li-metaalanode zonder grafeenraamwerk, Li-dendrieten groeiden gemakkelijk op routinematige 2D-substraten (zoals Cu-folie). Omdat de wortel van dendrieten het elektron gemakkelijk kan opnemen en eerder kan oplossen, Li-dendrieten braken gemakkelijk en werden losgemaakt van het substraat om dode Li te vormen. Als er een reeds bestaand geleidend raamwerk is, zoals zelfdragend grafeenschuim, de gedeponeerde Li zal goed worden ondergebracht. Vrijstaand grafeenschuim biedt verschillende veelbelovende functies als onderlaag voor Li-anode, inclusief (1) relatief groter oppervlak dan 2D-substraten om de werkelijke specifieke oppervlaktestroomdichtheid en de mogelijkheid van dendrietgroei te verlagen, (2) onderling verbonden raamwerk om dode Li te ondersteunen en te recyclen, en (3) goede flexibiliteit om de volumefluctuatie tijdens herhaalde opname/extractie van Li te ondersteunen.

"We hopen dat de verstandige combinatie van engineering op nanoschaal en elektrochemie kan helpen de Coulomb-efficiëntie en ionengeleiding van Li-metaalanode voor de toepassingen van Li-S-batterijen te verbeteren, ", zei Xin-Bing. Toekomstig onderzoek is nodig om de diffusie van Li-ionen voor en na het passeren van de SEI te onderzoeken. De resultaten gaven aan dat de engineering van grensvlakelektroden op nanoschaal een veelbelovende strategie zou kunnen zijn om de intrinsieke problemen van lithiummetaalanoden en de beschreven concepten aan te pakken hierin werpen een nieuw licht op LMB's met een hoge energiedichtheid, zoals Li-S en Li-O ₂ batterijen.