Onlangs, onderzoekers van de Tsinghua University, China heeft een op grafeen gebaseerde nanogestructureerde lithiummetaalanode voor lithiummetaalbatterijen voorgesteld om dendrietgroei te remmen en de elektrochemische prestaties te verbeteren. Ze rapporteren hun bevindingen in Geavanceerde materialen , gepubliceerd op 16 maart 2016.

"Veel gebruikte lithium-ionbatterijen kunnen niet voldoen aan de toenemende behoefte aan energieopslagsystemen in draagbare elektronica en elektrische voertuigen. Nieuwe lithium-metaalanodebatterijen, zoals Li-S- en Li-air-batterijen, zijn zeer gewild. Lithiummetaal biedt een extreem hoge theoretische specifieke capaciteit, dat is bijna 10 keer meer energie dan grafiet, " zei prof. Qiang Zhang, bij de afdeling Chemische Technologie, Tsinghua universiteit. "Echter, de praktische toepassingen van lithiummetalen worden sterk belemmerd door de groei van lithiumdendrieten in continue cycli. Dit leidt tot veiligheidsproblemen. De lithiumdendrieten kunnen interne kortsluitingen veroorzaken met brand tot gevolg. Verder, de vorming van lithiumdendrieten induceert een zeer lage cyclusefficiëntie." De dendrietgroei en onstabiele vaste elektrolyt-interfase verbruiken grote hoeveelheden lithium en elektrolyt, en daardoor leiden tot onomkeerbare capaciteitsverliezen van de batterij. Bijgevolg, het remmen van de dendrietgroei wordt hoog verwacht.

Er zijn veel benaderingen voorgesteld om de groei van dendrieten te vertragen door middel van elektrolytmodificatie, kunstmatige stevige elektrolytinterfaselagen, elektrode constructie, en anderen. "We merkten dat door de lokale stroomdichtheid sterk te verminderen, de groei van lithiumdendrieten kan efficiënt worden geremd. Op basis van dit begrip, we gebruikten niet-gestapeld grafeen met een ultrahoog specifiek oppervlak om een ​​nanogestructureerde anode te bouwen. En het bleek een zeer efficiënt idee te zijn, " zei Rui Zhang, een doctoraat student en de eerste auteur. "Aanvullend, we hebben de dual-salt elektrolyt gebruikt om een ​​stabielere en flexibelere vaste elektrolyt-interfase te verkrijgen, die het lithiummetaal kan beschermen tegen verdere reacties met elektrolyt."

Deze op grafeen gebaseerde anode bood een grote verbetering, inclusief (1) ultralage lokale stroomdichtheid op het oppervlak van grafeenanode (een tienduizendste van die op routinematige op Cu-folie gebaseerde anodes) veroorzaakt door het grote specifieke oppervlak van 1666 m ² G ^-1 , die dendrietgroei remde en een uniforme morfologie van lithiumafzetting veroorzaakte; (2) hoge stabiele fietscapaciteit van 4,0 mAh mg ^-1 veroorzaakt door het hoge poriënvolume (1,65 cm ³ G ^-1 ) van niet-gestapeld grafeen, meer dan 10 keer de grafietanode in lithium-ionbatterijen (0,372 mAh mg ^-1 ); (3) hoge elektrische geleidbaarheid (435 S cm ^-1 ), wat leidt tot een lage interface-impedantie, stabiele laad-/ontlaadprestaties, en hoge fietsefficiëntie.

"We hopen dat ons onderzoek kan wijzen op een nieuwe strategie om de dendrietuitdaging in lithiummetaalanoden aan te pakken. De ultralage lokale stroomdichtheid veroorzaakt door geleidende nanogestructureerde anoden met een hoog specifiek oppervlak kan de stabiliteit en elektrochemische prestaties van lithiummetaalanoden helpen verbeteren , " zei Xin-Bing Cheng, een co-auteur van het werk. Toekomstig onderzoek is nodig om voorkeursanodestructuren te ontwerpen en om meer beschermende vaste elektrolyt-interfaselagen te produceren. De onderzoekers pleiten ook voor aanvullende studie van het diffusiegedrag van Li-ionen en elektronen in het proces van lithiumafzetting en stripping om de commerciële toepassingen van lithiummetaalanoden te bevorderen.