Un ospite 1D Li-confinabile con un guscio di carbonio poroso e nanoparticelle di Au litiofile nel nucleo mostra una migliore reversibilità del Li a tassi elevati grazie al facile trasporto di Li+ e alla soppressione del dendrite di Li immagazzinando Li nel punto centrale, rivelando l'importanza della progettazione strutturale per lo stoccaggio di Li. Credito:Korea Electrotechnology Research Institute
Uno studio sulle batterie Li-metal condotto dal team di ricerca guidato dal Dr. Byung Gon Kim presso il Next-Generation Battery Research Center del Korea Electrotechnology Research Institute (KERI) è stato pubblicato come copertina sulla rivista internazionale ACS Nano .
Mentre le attuali batterie agli ioni di litio generano energia prelevando gli ioni di litio dentro e fuori dall'anodo di grafite in base al meccanismo di intercalazione, la batteria al litio non si basa su questa grafite ingombrante e pesante ma utilizza lo stesso litio metallico come anodo. Poiché il Li-metal mostra una capacità teorica 10 volte superiore (3.860 mAh/g) rispetto alla grafite (372 mAh/g), ha costantemente guadagnato molta attenzione dalle aree che necessitano di batterie ad alta capacità, come i veicoli elettrici e i sistemi di accumulo di energia.
Nonostante questo vantaggio, Li può crescere nella forma di un ramo di un albero, chiamato dendrite di Li, se non viene immagazzinato in modo uniforme ed efficace durante il ciclo del processo, portando a un'espansione di grande volume dell'elettrodo, che a sua volta può ridurre la durata del ciclo della batteria e causare problemi di sicurezza come incendi ed esplosioni innescati da cortocircuiti interni.
Per affrontare questo problema, KERI ha sviluppato una struttura di carbonio poroso 1D confinabile con Li con un nucleo cavo e un piccolo numero di nanoparticelle d'oro con affinità con Li è stato aggiunto al nucleo cavo. Qui, l'oro controlla la direzione di crescita di Li reagendo preferenzialmente con Li, inducendo così la deposizione di Li all'interno del nucleo. Inoltre, nella parte del guscio si formano molti pori di dimensioni nanometriche per migliorare il movimento degli ioni di litio verso lo spazio centrale.
Una delle principali sfide osservate nell'esistente host Li a guscio cavo è stata la deposizione di Li sul guscio di carbonio conduttivo, non all'interno del nucleo, in condizioni di carica ad alta velocità. Pertanto, il team KERI ha introdotto molti pori di dimensioni nanometriche nel guscio e ha ottenuto un'efficienza coulombica significativamente migliorata senza la crescita del dendrite di Li anche in condizioni di test ad alta corrente di 5 mA/cm 2 .
Il team del Dr. Kim ha collaborato con il Prof. Janghyuk Moon dell'Università di Chung-Ang per la convalida teorica dell'efficacia del design di questo materiale e i risultati della simulazione hanno mostrato che la ridotta lunghezza di diffusione degli ioni di litio da parte dei pori del guscio e una migliore affinità di Li da parte delle nanoparticelle d'oro ha mantenuto la deposizione di Li all'interno della struttura anche in condizioni di carica ad alta corrente. Inoltre, l'host Li progettato ha mostrato eccellenti prestazioni di ciclismo di oltre 500 cicli con un'elevata densità di corrente di 4C (ritenzione della capacità dell'82,5%). È anche da notare che questa tecnologia incontra la praticità perché il team ha utilizzato la tecnica dell'elettrofilatura con vantaggi nella produzione di massa per la sintesi dei materiali.
"Nonostante il merito dell'elevata capacità, le batterie Li-metal hanno molti ostacoli da superare per la commercializzazione principalmente a causa di problemi di stabilità e sicurezza", ha affermato il dott. Kim. E il Dr. Kim ha anche affermato:"Il nostro studio è inestimabile in quanto abbiamo sviluppato una tecnica per la produzione in serie di serbatoi Li-metal con elevata efficienza coulombica per batterie Li-metal a ricarica rapida".
Questo studio del team di ricerca KERI è stato pubblicato come documento di copertina supplementare nell'edizione di agosto di ACS Nano . + Esplora ulteriormente
