Recentemente, ricercatori della Tsinghua University, La Cina ha proposto un anodo di metallo al litio nanostrutturato a base di grafene per batterie al metallo di litio per inibire la crescita dei dendriti e migliorare le prestazioni elettrochimiche. Riportano i loro risultati in Materiale avanzato , pubblicato il 16 marzo 2016.
"Le batterie agli ioni di litio ampiamente utilizzate non possono soddisfare la crescente richiesta di sistemi di accumulo di energia nell'elettronica portatile e nei veicoli elettrici. Nuove batterie ad anodo di litio metallico, come le batterie Li-S e Li-air, sono molto ricercati. Il litio metallico fornisce una capacità specifica teorica estremamente elevata, che è quasi 10 volte più energia della grafite, " ha detto il prof. Qiang Zhang, presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica, Università di Tsinghua. "Però, le applicazioni pratiche dei metalli di litio sono fortemente ostacolate dalla crescita dei dendriti di litio in cicli continui. Ciò induce problemi di sicurezza. I dendriti di litio possono causare cortocircuiti interni con conseguente incendio. Per di più, la formazione di dendriti di litio induce un'efficienza del ciclo molto bassa." La crescita dei dendriti e l'interfase dell'elettrolita solido instabile consumano grandi quantità di litio ed elettrolita, e quindi portando a perdite irreversibili di capacità della batteria. Di conseguenza, l'inibizione della crescita dei dendriti è altamente attesa.
Sono stati proposti molti approcci per ritardare la crescita dei dendriti attraverso la modifica degli elettroliti, strati interfase di elettrolita solido artificiale, costruzione di elettrodi, e altri. "Abbiamo notato che diminuendo pesantemente la densità di corrente locale, la crescita dei dendriti di litio potrebbe essere efficacemente inibita. Sulla base di questo concetto, abbiamo impiegato grafene non impilato con un'area superficiale specifica ultraelevata per costruire un anodo nanostrutturato. E si è rivelata un'idea molto efficiente, " disse Rui Zhang, un dottorato di ricerca studente e il primo autore. "Inoltre, abbiamo impiegato l'elettrolita a doppio sale per acquisire un'interfase di elettrolita solido più stabile e più flessibile, che può proteggere il litio metallico da ulteriori reazioni con l'elettrolita."
Questo anodo a base di grafene ha offerto un grande miglioramento, inclusa (1) densità di corrente locale ultrabassa sulla superficie dell'anodo di grafene (un decimillesimo di quella sugli anodi a lamina di Cu di routine) indotta dall'ampia superficie specifica di 1666 m 2 G -1 , che ha inibito la crescita dei dendriti e ha portato una morfologia uniforme della deposizione di litio; (2) elevata capacità di ciclo stabile di 4.0 mAh mg -1 indotta dall'elevato volume dei pori (1,65 cm 3 G -1 ) di grafene non impilato, oltre 10 volte l'anodo di grafite nelle batterie agli ioni di litio (0,372 mAh mg -1 ); (3) elevata conducibilità elettrica (435 S cm -1 ), portando a una bassa impedenza di interfaccia, prestazioni stabili di carica/scarica, e ad alta efficienza ciclistica.
"Speriamo che la nostra ricerca possa indicare una nuova strategia per affrontare la sfida della dendrite negli anodi di metallo di litio. La densità di corrente locale ultrabassa indotta da anodi nanostrutturati conduttivi con un'elevata superficie specifica può aiutare a migliorare la stabilità e le prestazioni elettrochimiche degli anodi di metallo di litio , " disse Xin-Bing Cheng, coautore dell'opera. Sono necessarie indagini future per progettare strutture anodiche preferibili e per produrre strati interfase di elettroliti solidi più protettivi. I ricercatori chiedono anche ulteriori studi sul comportamento di diffusione degli ioni Li e degli elettroni nel processo di deposito e strippaggio del litio per far progredire le applicazioni commerciali degli anodi di litio metallico.
