Gli anodi di grafite sono stati ampiamente utilizzati per le batterie agli ioni di litio (LIB) negli ultimi due decenni. La sostituzione del litio metallico con la grafite consente un funzionamento sicuro e altamente efficiente dei LIB, però, sacrificando significativamente la capacità specifica e la densità di energia. Infatti, come il "Santo Graal" delle batterie al litio, gli anodi al litio metallico presentano una capacità specifica teorica molto elevata di 3860 mAh g −1 e il potenziale redox negativo più basso di -3,040 V rispetto all'elettrodo a idrogeno standard. Però, i dendriti di litio che si formano e si allungano durante il ciclo possono perforare il separatore polimerico, con conseguente cortocircuito e conseguente instabilità termica della batteria.
"I dendriti sono principalmente indotti dalla distribuzione disomogenea sia della densità di corrente sull'anodo di litio che del gradiente di concentrazione degli ioni di litio all'interfaccia elettrolita/elettrodo, ' ha spiegato il dottor Qiang Zhang al Dipartimento di Ingegneria Chimica, Università Tsinghua di Pechino, "la formazione e la crescita dei dendriti saranno ritardate se vengono migliorate la stabilità e l'uniformità delle interfacce tra gli elettroliti e l'elettrodo di litio".
Qiang ha anche menzionato le strategie convenzionali per modificare l'interfaccia impiegando additivi elettrolitici, elettroliti ibridi, elettroliti polimerici, e strati protettivi. 'Infatti, un lavoro molto recente riportato dal gruppo del Dr. Yi Cui dell'Università di Stanford ha illustrato che il rivestimento di anodi di metallo di litio con un monostrato di nanosfere di carbonio cave amorfe interconnesse può isolare i depositi di metallo di litio e stabilizzare l'interfase di elettrolita solido, che è una strategia promettente per affrontare i problemi di dendrite degli anodi metallici. Se le nanostrutture degli anodi metallici sono ben progettate, il comportamento di crescita del litio depositato sarà deliberatamente controllato.' Qiang ha detto a phys.org.
qui, un nuovo anodo tridimensionale (3D) nanostrutturato con litio metallico contenuto in un Li7B . fibroso 6 matrice è stata proposta per ritardare la crescita dei dendriti. Un tale anodo nanostrutturato ha mostrato una durata del ciclo senza precedenti e un'elevata efficienza coulombiana oltre il metallo di litio della piastra.
"La caratteristica più impressionante dell'anodo è la nanostruttura fibrosa di Li 7 B 6 impalcatura, ' Xin-Bing Cheng, uno studente laureato e il primo autore, spiegato. "La deposizione di litio è autolimitata su scala nanometrica a causa delle dimensioni molto ridotte di Li 7 B 6 nanofibre oltre le lamine di litio. Così, si evita la formazione di dendriti di litio su macroscala. Questa proprietà autolimitata favorevole è principalmente attribuita al tasso di deposito limitato di litio.'
La velocità di deposito del litio dipende fortemente dalla dimensione specifica dei substrati, che in questo caso sono progressivamente cresciuti depositi di litio e Li . inerti costanti 7 B 6 nanofibre. Una volta iniziata la deposizione di litio, cresce continuamente perché il deposito iniziale di litio ha una dimensione ridotta che contiene una forte intensità del campo elettrico, favorendo così l'adsorbimento e la deposizione di ioni di litio. Quando la dimensione del deposito di litio aumenta continuamente fino a quella della matrice, la capacità dei depositi di assorbire gli ioni di litio sarà inferiore a quella di Li 7 B 6 le fibre e quindi gli ioni di litio tendono a depositarsi sulla matrice piuttosto che sui dendriti.
'Di conseguenza, l'anodo nanostrutturato non solo riduce la densità di corrente areale, che abbassa la velocità di crescita dei depositi di litio, ma limita anche la dimensione finale del litio depositato, che porta alla morfologia priva di dendriti su macroscala.' ha detto Xin-Bing.
Inoltre, l'anodo nanostrutturato ha altri vantaggi. Per esempio, fornisce anche spazio sufficiente per accogliere l'elettrolita e quindi stabilizzare la concentrazione di ioni di litio, che avvantaggia anche una proprietà priva di dendriti. il Li 7 B 6 le fibre sono meccanicamente sufficientemente rigide da sostenere la loro struttura. Quando l'anodo nanostrutturato è stato assemblato con catodo di zolfo, la vita in bicicletta è stata drasticamente aumentata a 2000 cicli, ben oltre l'anodo di lamina di litio a piastra di routine. I risultati dettagliati sono stati pubblicati come comunicazione rapida in Piccolo .
"La progettazione architettonica razionale dell'anodo metallico è un metodo efficiente per regolare il comportamento di crescita del metallo depositato." come ha sottolineato il dottor Zhang, "saranno esplorati anodi metallici più avanzati privi di dendrite basati su nanostrutture ingegnerizzate per soddisfare la domanda di batterie funzionanti."