Anodi metallici al litio (Li), con la capacità specifica più elevata (3.860 mAh g -1 ) e il potenziale redox più basso (-3,04 V rispetto all'elettrodo a idrogeno standard), sono considerati una potenziale alternativa per le batterie al litio ad alta densità di energia di prossima generazione. Tuttavia, l'interfaccia instabile dell'elettrolita e dell'anodo metallico al litio ha rappresentato il principale ostacolo all'applicazione pratica delle batterie all'anodo metallico del litio.
I ricercatori guidati dal Prof. Bai Shuo e dal Prof. Li Feng dell'Istituto di ricerca sui metalli (IMR) dell'Accademia cinese delle scienze (CAS), insieme al Prof. Tan Jun del Laboratorio Ji Hua, hanno ottenuto la distribuzione spazialmente selettiva del struttura di solvatazione mirata degli ioni all'interfaccia elettrolita-anodo fabbricando micro-array di nano-idrossiapatite (nHA) con un alto contenuto di Li + energia legante su un foglio di rame (Cu).
Il loro lavoro è stato pubblicato in Advanced Materials .
Secondo i ricercatori, la chiave per un anodo metallico di litio stabile è costruire una robusta pellicola di interfaccia elettrolitica solida (SEI) sull’interfaccia elettrolita-anodo. L'approccio ideale è ottimizzare la struttura solvatata degli ioni nell'elettrolita, in particolare all'interfaccia elettrolita-anodo, mantenendo le proprietà dell'elettrolita sfuso.
Hanno scoperto che le particelle nHA elettronegative con un alto contenuto di Li + l'energia legante può sintonizzare efficacemente la struttura di solvatazione degli ioni nell'elettrolita. Li + migrerà preferenzialmente sulla superficie della particella nHA, formando un Li + locale -regione ricca attorno alla particella nHA, dove gli anioni possono interagire con più Li + per formare anioni multi-coordinati.
Sulla base di questa scoperta, micro-array di nHA vengono ulteriormente preparati su un foglio di Cu (collettore di corrente dell'anodo) per formare preferenzialmente anioni multicoordinati all'interfaccia elettrolita-anodo. Nel frattempo, l'esperimento verifica anche che i microarray non influenzino la struttura di solvatazione dell'elettrolita sfuso.
In generale, gli anioni non coordinati sono fortemente respinti dall'anodo ricco di elettroni, il che riduce notevolmente l'efficienza di decomposizione degli anioni. In questo studio, utilizzando micro-array nHA, gli anioni multi-coordinati all'interfaccia elettrolita-anodo possono essere trasportati da Li + per attraversare efficacemente il doppio strato elettrico sull'anodo, cosa desiderata per un film SEI derivato da anioni. Gli anioni nell'elettrolita vengono decomposti in modo più completo in componenti inorganici altamente protettivi nella pellicola SEI, che possono sopprimere efficacemente la crescita dei dendriti sull'anodo.
Di conseguenza, a densità di corrente di carica-scarica elevate, il rischio che si verifichi il famigerato micro-cortocircuito nelle batterie al litio è significativamente ridotto.
La scoperta di materiali elettronegativi che sintonizzano la struttura di solvatazione locale nell'elettrolita fornisce nuovi principi di progettazione per la costruzione di SEI robusti per batterie al litio stabili.
Ulteriori informazioni: Haorui Shen et al, Struttura di solvatazione spazialmente selettiva mediante microarray elettronegativi per interfaccia stabile con anodo di litio-metallo, Materiali avanzati (2023). DOI:10.1002/adma.202306553
Informazioni sul giornale: Materiali avanzati
Fornito dall'Accademia cinese delle scienze
