Recentemente, I ricercatori dell'Università di Tsinghua hanno proposto una matrice di grafene drogata con azoto con gruppi funzionali litiofili densamente e uniformemente distribuiti per anodi metallici di litio privi di dendriti, apparso sul giornale Angewandte Chemie Edizione Internazionale .

Poiché il litio metallico possiede una capacità specifica teorica ultraelevata (3860 mAh g-1) e il potenziale elettrochimico negativo più basso (-3,040 V rispetto all'elettrodo a idrogeno standard), il litio metallico è stato considerato il materiale per elettrodi più promettente per le batterie ad alta densità di energia di prossima generazione. Però, l'applicazione delle batterie al litio metallico non è ancora in vista. "La crescita dei dendriti di litio ha ostacolato lo sviluppo di anodi metallici di litio, " ha detto il dottor Qiang Zhang, l'autore corrispondente, una facoltà presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica, Università di Tsinghua. "I dendriti di litio che si formano durante ripetuti cicli di placcatura e strippaggio al litio non solo possono indurre molti 'Li morti' con perdita di capacità irreversibile, ma causano anche cortocircuiti interni nelle batterie e altri problemi pericolosi."

"Abbiamo scoperto che un materiale litiofilo con una buona affinità per il litio metallico può guidare la nucleazione del metallo di litio. Pertanto, progettare una matrice di placcatura al litio con un'elevata area superficiale e una superficie litiofila ha senso per un anodo di litio metallico sicuro ed efficiente, " disse Xiao-Ru Chen, uno studente universitario all'Università Tsinghua. "Così abbiamo impiegato una matrice di grafene drogata con azoto con gruppi funzionali contenenti azoto densamente e uniformemente distribuiti per guidare la nucleazione e la crescita del litio metallico".

"I gruppi funzionali contenenti azoto sono siti litiofili, confermato dai nostri risultati sperimentali e di calcolo DFT. Il metallo al litio può placcare con nucleazione uniforme durante il processo di carica, seguita dalla crescita in morfologia priva di dendriti. Mentre sul normale anodo a base di lamina di Cu, i siti di nucleazione sono sparsi, che può causare più facilmente la crescita dei dendriti di litio, " disse Xiang Chen, un dottorato di ricerca studente all'Università Tsinghua.

Con i gruppi funzionali litiofili contenenti azoto, la matrice di grafene drogata con N può regolare il processo di nucleazione dell'elettrodeposizione del litio. Di conseguenza, sono stati ottenuti depositi di litio metallico senza dendriti. Inoltre, questa matrice mostra prestazioni elettrochimiche impressionanti. L'efficienza coulombiana dell'elettrodo a base di grafene drogato con N a una densità di corrente di 1,0 mA cm-2 e una capacità di ciclo di 1,0 mAh cm-2 può raggiungere il 98 percento per quasi 200 cicli.

"Abbiamo proposto una nuova strategia basata sulla nucleazione litiofila guidata dal sito per risolvere la difficile sfida dei dendriti in questa pubblicazione, " ha detto Qiang. "Ulteriori ricerche sono necessarie per indagare e controllare la nucleazione del litio nelle batterie al litio metallico. Crediamo che l'applicazione pratica degli anodi al litio metallico possa essere finalmente realizzata." Il controllo del processo di nucleazione della placcatura al litio con una matrice litiofila ha gettato una nuova luce su tutte le batterie a base di litio metallico, come Li-S, Li-O2 e future batterie agli ioni di litio.