Quan-Hong Yang dell'Università di Tianjin e Wei Lv della Graduate School di Shenzhen, La Tsinghua University con i suoi colleghi ha riferito di un peso leggero, struttura di nanofibre di carbonio ad alto livello di drogaggio con azoto come collettore di corrente per anodi di metallo di litio, che potrebbe frenare la crescita dei dendriti e ottenere la deposizione uniforme del litio. Questo lavoro è stato recentemente pubblicato in Scienza Cina Materiali .

Il gruppo di Yang e il gruppo di Lv sono ancora dediti ai materiali in carbonio e alle loro applicazioni nell'accumulo di energia.

Gli autori scrivono, "Nonostante l'elevata densità di energia delle batterie al litio metallico, la crescita intrattabile dei dendriti ha portato a una bassa efficienza coulombiana, cortocircuiti interni e persino problemi pericolosi ne ostacolano l'uso pratico. I materiali di carbonio possono svolgere un ruolo significativo nella risoluzione dei problemi sopra menzionati, consentendo l'applicazione pratica di anodi in metallo di litio."

I ricercatori hanno compiuto sforzi per risolvere il problema del dendrite di litio. Le strutture a struttura tridimensionale conduttiva, come il collettore di corrente Cu poroso e la struttura in grafene 3-D, hanno attirato l'attenzione perché possono ridurre la densità di corrente locale e adattarsi a grandi cambiamenti di volume durante il ciclismo.

"Nonostante l'eccellente stabilità della struttura e la conduttività elettrica superiore, il collettore di corrente in metallo poroso è pesante, comprendendo notevolmente la densità di energia, "Yang ha detto, "la struttura in carbonio poroso è leggera, che beneficia di migliorare la densità di energia basata sull'intero dispositivo. Eppure le loro superfici non litiofile non sono ideali per la nucleazione e la deposizione uniformi del litio".

I gruppi funzionali contenenti azoto sulla superficie della struttura in carbonio possono interagire con gli atomi di litio e migliorare la litiofilia della struttura in carbonio. Usando il poliacrilonitruro come materia prima, una matrice di nanofibre di carbonio conduttiva 3-D (NCNF) leggera e ad alto drogaggio di azoto può essere facilmente preparata mediante elettrofilatura, preossidazione e trattamento termico.

L'uso di NCNF come collettore di corrente presenta diversi vantaggi:

1. Una matrice leggera può mantenere l'elevata capacità specifica dell'anodo di metallo di litio. La densità di NCNF è solo 0,57 mg/cm2. Quando il caricamento del litio è di 4 mAh/cm ² , il leggero NCNF offre una grande capacità di 2489,7 mAh/g basato sul composito NCNF-Li;
2. L'elevata superficie specifica e la struttura 3D sono utili per ridurre la densità di corrente locale e adattarsi alle grandi variazioni di volume durante il ciclismo;
3. L'elevato drogaggio con azoto garantisce sufficienti siti sovrapotenziali a bassa nucleazione sull'ampia superficie del NCNF, guidando la nucleazione del litio in modo uniforme e sopprimendo la crescita del dendrite di litio.

Questi hanno portato a un'eccellente stabilità del ciclo con un'elevata efficienza coulombica di oltre il 98 percento per oltre 250 cicli per la deposizione di litio. Inoltre, quando accoppiato l'anodo Li@NCNF con LiFePO4 per assemblare la cella completa, sono state mostrate una ridotta polarizzazione della tensione e un'elevata capacità di ritenzione.

Yang dice, "Questo lavoro ha chiaramente dimostrato i ruoli importanti del drogaggio eteroatomo per la modifica della superficie del carbonio per realizzare la deposizione di anodi metallici uniforme e priva di dendriti, e ha anche mostrato un grande potenziale di NCNF leggero per l'uso in anodi a base di metallo con alta densità di energia."