I ricercatori hanno proposto un anodo di metallo al litio a doppia fase efficiente e stabile per batterie Li-S, contenente interfase di elettrolita solido indotto da polisolfuro e struttura di grafene nanostrutturata presso l'Università di Tsinghua, che appare in ACS Nano .
Tra i vari candidati promettenti per batterie ad alta densità di energia, batterie Li-S, con un'elevata capacità teorica di 1675 mAh g -1 (a base di zolfo) e una densità energetica di 2600 Wh kg -1 (basato sulla coppia redox Li-S), sono molto considerati. "La proprietà superiore richiede l'enorme potenziale delle batterie Li-S nell'elettronica portatile, veicoli elettrici, e la raccolta di energia rinnovabile, " ha detto il dottor Qiang Zhang, professore associato presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica, Università di Tsinghua. "Nonostante questi vantaggi, molti ostacoli devono ancora essere superati per le applicazioni pratiche delle batterie Li-S, come la bassa conducibilità dello zolfo, la navetta di intermedi di polisolfuro a catena lunga nel catodo di zolfo e le emissioni di dendrite di litio nell'anodo di metallo di litio. Relativamente all'ampia ricerca nel catodo e nell'elettrolita, Il metallo di litio nell'anodo ha ottenuto poche attenzioni."
La formazione di dendriti al litio è un problema primario per le batterie al metallo di litio, comprese le batterie Li-S, che porta sempre a seri problemi di sicurezza e bassa efficienza coulombiana. I dendriti di litio sono tra i problemi più difficili dell'anodo di metallo di litio, però, non è quello esclusivo. I ricercatori del Pacific Northwest National Laboratory hanno scoperto un nuovo meccanismo di guasto degli anodi di metallo di litio, che l'interfase porosa dell'anodo è cresciuta verso l'interno verso il grosso (fresco) metallo Li, che si è evoluto in uno strato disordinato e altamente resistivo e, così, ha provocato un'enorme resistenza di trasferimento e una grande quantità di metallo Li che perde contatto con gli elettroni (Li morto) nello strato inerte. Prima del cortocircuito indotto dai dendriti, l'impedenza della batteria è aumentata bruscamente e la durata di servizio è stata interrotta anticipatamente (Adv. Energy Mater. 2014, 1400993).
"In una cella Li-S, questo fenomeno è più frequente e grave, poiché i prodotti di zolfo e solfuro di litio sono sia ioni che isolano gli elettroni e l'effetto di accoppiamento incrociato porterà a una forte diminuzione della tensione e della densità di energia. Di conseguenza, è di fondamentale importanza progettare una struttura anodica con canali ionici e elettronici desiderabili per migliorare le proprietà di trasferimento e riciclare il Li morto in una cella Li-S, " Qiang ha detto a Phys.org.
Sulla base di questo concetto, Xin-Bing Cheng, uno studente laureato e il primo autore, ha proposto una struttura di grafene nanostrutturata con deposito di litio per essere un anodo di metallo di litio ad alta efficienza e alta stabilità per batterie Li-S. In una configurazione di routine dell'anodo di metallo al litio senza struttura in grafene, I dendriti di Li sono cresciuti facilmente su substrati 2D di routine (come il foglio di Cu). Poiché la radice dei dendriti può ricevere facilmente l'elettrone e quindi dissolversi prima, I dendriti di Li si fratturavano facilmente e si staccavano dal substrato per formare Li morto. Se esiste una struttura conduttiva preesistente come la schiuma di grafene autoportante, il Li depositato sarà ben sistemato. La schiuma di grafene autoportante offre diverse caratteristiche promettenti come strato sottostante per l'anodo di litio, incluso (1) un'area superficiale relativa più ampia rispetto ai substrati 2D per ridurre la densità di corrente superficiale specifica reale e la possibilità di crescita dei dendriti, (2) quadro interconnesso per supportare e riciclare Li morto, e (3) buona flessibilità per sostenere la fluttuazione del volume durante l'incorporazione/estrazione ripetuta di Li.
"Speriamo che la saggia combinazione dell'ingegneria su nanoscala e dell'elettrochimica possa aiutare a migliorare l'efficienza coulombiana e la conduttività ionica dell'anodo di metallo al litio per le applicazioni delle batterie Li-S, " ha affermato Xin-Bing. Sono necessarie ricerche future per studiare la diffusione degli ioni di litio prima e dopo l'attraversamento del SEI. I risultati hanno indicato che l'ingegneria degli elettrodi interfacciali su scala nanometrica potrebbe essere una strategia promettente per affrontare i problemi intrinseci degli anodi metallici di litio e i concetti descritti qui getta una nuova luce verso LMB ad alta densità di energia, come Li-S e Li-O 2 batterie.
