Onlangs, Onderzoekers van de Tsinghua University hebben een met stikstof gedoteerde grafeenmatrix voorgesteld met dicht en uniform verdeelde lithiofiele functionele groepen voor dendrietvrije lithiummetaalanoden, verschijnen in het journaal Internationale editie van Angewandte Chemie .

Aangezien lithiummetaal een ultrahoge theoretische specifieke capaciteit heeft (3860 mAh g-1) en de laagste negatieve elektrochemische potentiaal (-3,040 V vs. de standaard waterstofelektrode), lithiummetaal wordt beschouwd als het meest veelbelovende elektrodemateriaal voor batterijen van de volgende generatie met hoge energiedichtheid. Echter, de toepassing van lithium-metaalbatterijen is nog niet in zicht. "De groei van lithiumdendriet heeft de ontwikkeling van lithiummetaalanoden belemmerd, " zei Dr. Qiang Zhang, de corresponderende auteur, een faculteit bij de afdeling Chemische Technologie, Tsinghua universiteit. "Lithiumdendrieten die zich vormen tijdens herhaalde lithiumplating- en stripcycli kunnen niet alleen veel 'dode Li' induceren met onomkeerbaar capaciteitsverlies, maar veroorzaken ook interne kortsluitingen in batterijen en andere gevaarlijke problemen."

"We ontdekten dat een lithiofiel materiaal met een goede metallische lithiumaffiniteit de lithiummetaalkiemvorming kan leiden. Daarom, het ontwerpen van een lithium-plateringsmatrix met een groot oppervlak en een lithofiel oppervlak is logisch voor een veilige en efficiënte lithiummetaalanode, " zei Xiao-Ru Chen, een student aan de Tsinghua University. "Dus gebruikten we een met stikstof gedoteerde grafeenmatrix met dicht en uniform verdeelde stikstofbevattende functionele groepen om de nucleatie en groei van lithiummetaal te begeleiden."

"De stikstofbevattende functionele groepen zijn lithiofiele plaatsen, bevestigd door onze experimentele en DFT-berekeningsresultaten. Lithium-metaal kan worden geplateerd met uniforme nucleatie tijdens het laadproces, gevolgd door groei naar dendrietvrije morfologie. Terwijl op de normale op Cu-folie gebaseerde anode, de nucleatieplaatsen zijn verspreid, die gemakkelijker lithiumdendrietgroei kunnen veroorzaken, " zei Xiang Chen, een doctoraat student aan de Tsinghua-universiteit.

Met de lithiofiele stikstofbevattende functionele groepen, de N-gedoteerde grafeenmatrix kan het kiemvormingsproces van lithiumelektrodepositie reguleren. Als resultaat, er werden dendrietvrije lithiummetaalafzettingen verkregen. Aanvullend, deze matrix vertoont indrukwekkende elektrochemische prestaties. De Coulomb-efficiëntie van de N-gedoteerde op grafeen gebaseerde elektrode bij een stroomdichtheid van 1,0 mA cm-2 en een cycluscapaciteit van 1,0 mAh cm-2 kan 98 procent bereiken voor bijna 200 cycli.

"We hebben een nieuwe strategie voorgesteld op basis van lithiofiele site-geleide nucleatie om de moeilijke dendrietuitdaging in deze publicatie op te lossen, " zei Qiang. "Verder onderzoek is nodig om de lithiumkiemvorming in lithium-metaalbatterijen te onderzoeken en te beheersen. Wij zijn van mening dat de praktische toepassing van lithiummetaalanoden eindelijk kan worden gerealiseerd." De controle van het kiemvormingsproces van lithiumplateren met een lithiofiele matrix heeft een nieuw licht geworpen op alle op lithium-metaal gebaseerde batterijen, zoals Li-S, Li-O2 en toekomstige Li-ion batterijen.