Nano-Festmetall-Lithiumbatterie mit hoher Energiedichte und ihre Schlüsselmaterialien

Fig. 1. Ein schematisches Diagramm von (a) Abscheidungsprozess und (b) Abscheidungsmechanismus von metallischem Lithium auf gekrümmten Graphitkugeln.

Abbildung 2. (a) Ein schematisches Diagramm der Entladungskurve und der Abscheidung von grafischen Kohlenstofffasern. (b) das ursprüngliche Material und (c) nach Entladung auf 0 V, (d) Ablagerung von 2 mAhcm? Nach 2 (E) 8mAhcm einzahlen? Nach 2 löst sich (f) 4mAhcm auf? 2 Die Oberflächenmorphologie der Elektrode bei Aufladung mit (g) auf 1 V.

Figure 3. (a) Herstellung (oben) und Lithiumabscheidung (unten) von ipn-PEA-Elektrolyten. (b) Modulares Diagramm von IPn-PEA-Elektrolyten. c) Li | IPN-PEA-Elektrolyt | LFP-Softpack-Batterie-Schnittspannungsfoto. Das LED-Gerät kann vor (E) und nach (f) dem Biegetest der flexiblen Batterie leuchten.

Mit Unterstützung des Ministeriums für Wissenschaft und Technologie, des Staatsrates für Naturwissenschaften und Technologie und der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat die China National Science and Technology Foundation große Anstrengungen unternommen, um nanofestige Lithiummetallbatterien mit hoher Energiedichte zu entwickeln die Herausforderungen von Recycling und Sicherheit. Guoyuguo, ein Forscher am Schlüssellabor für molekulare Nanostrukturen und Nanotechnologie des Instituts für Chemie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, machte eine Reihe von Fortschritten bei der Erforschung von Metalllithium-Negativelektroden, Festelektrolyten und Festbatterien.

In den letzten Jahren haben sich Forscher dieser Gruppe lange Zeit der Untersuchung der negativen Elektrode von Metalllithium gewidmet. In früheren Forschungsarbeiten schlugen sie die Verwendung dreidimensionaler Nanokristalle vor, um das Problem der ungleichmäßigen Auflösung und Abscheidung (dh des Dendriten) der negativen Elektrode aus Metalllithium während des Ladens und Entladens zu lösen und die gleichmäßige Abscheidung und Auflösung von zu steuern Metalllithium in der dreidimensionalen Elektrode. Die Kontrolle von metallischen Lithiumdendriten wurde erfolgreich erreicht (Nat.Comun., 2015, 6.8058). Die Forscher schlugen vor und entwickelten eine In-situ-Behandlungstechnologie, die erfolgreich eine feste Lithiumelektrolytphosphatmembran mit Gaoyangshi-Modul und schneller Lithiumionentransportfähigkeit auf der Oberfläche von metallischem Lithium bildete, wodurch die Nebenreaktion zwischen metallischem Lithium und Elektrolyt wirksam reduziert wurde. Das Wachstum von Lithiumdendriten (Adv.Mater., 2016, 28, 1853).

Um das Problem der geringen Ausnutzung von Metall-Lithium-Negativpolen weiter zu lösen, schlugen die Forscher ein hocheffizientes und stabiles "Lithium-Lagerraum" -Konzept vor (Abbildung 1), das auf den strukturellen Vorteilen von Graphit-Kohlenstoff-Materialien basiert, und züchteten Zwiebeln auf den drei -dimensionales leitfähiges Gerüst, grafisch dargestellte kugelförmige Kohlenstoffpartikel, Die gleichmäßige Regulierung der Grenzfläche zwischen Metalllithium und Elektrolyt wird erreicht, das Wachstum von metallischen Lithiumdendriten auf der kugelförmigen Kohlenstoffoberfläche wird effektiv gesteuert und die Verwendungsrate von Lithium wird stark erhöht. Unter der Bedingung, dass die negative Elektrodenkapazität nur 5% zu hoch ist, kann die Batterie den Zyklus noch lange stabilisieren. Die Ergebnisse dieser Studie wurden kürzlich veröffentlicht. Veröffentlicht in J.Am.Chem.Soc. (2017, 139, 5916).

Um das Problem des Dendritenwachstums und der schlechten Zyklenstabilität in Lithiummetallanoden mit hoher Kapazität zu lösen, verwendeten die Forscher elektrochemisch aktive graphitierte Kohlenstofffasern als multifunktionale dreidimensionale Stromkollektoren, um Metalle mit einer Oberfläche von bis zu 8 mAhcm-2 zu erhalten und keine Dendriten. Lithium-Negativelektrode. Da graphitierte Kohlenstofffasern die lokale Stromdichte verringern und Volumenänderungen verringern können, weist die Anode einen hohen Coulomb-Wirkungsgrad, eine Niederspannungspolarisation und eine lange Lebensdauer während des Zyklus auf. Verwandte Ergebnisse wurden kürzlich in Adv. Mater. (2017, 29, 1700389)) am.

In den frühen Forschungsarbeiten zu Elektrolyten für Metalllithiumbatterien wurde der irreversible Abbau von SEI festgestellt, der sich während des Zyklusprozesses spontan auf der Oberfläche von Metalllithium gebildet hat. Die Arbeitsgruppe entwarf ein gemischtes Elektrolytsystem aus Etherelektrolyten und ionischen Flüssigkeiten. Verbessertes Abscheidungsverhalten und zyklische Stabilität der negativen Metalllithiumelektrode (Adv.Sci., 2017, 4,1600400); Die Forscher schlugen ein funktionelles Elektrolytadditiv vor, das kolloidale Al-Partikel enthält. Durch Zugabe von AlCl3 zum Elektrolyten gelang es ihnen, eine gleichmäßige, stabile und kompakte SEI-Membran auf der Oberfläche von metallischem Lithium in situ zu bilden und die Grenzfläche zwischen metallischem Lithium und Elektrolyt zu stabilisieren (NanoEnergy, 2017, 36, 411).

Um die Batteriesicherheit zu verbessern und das Problem der Lithiumdendriten in flüssigen Elektrolyten weiter zu lösen, entwarfen und konstruierten die Forscher eine Art Polypenetheracrylat-Festelektrolyt mit zwei Funktionen und interpenetrierender Netzwerkstruktur (Abb. 3). Der Festelektrolyt (ipn-PEA) stellt eine hohe mechanische Festigkeit (etwa 12 GPa) und eine Ionenleitfähigkeit bei hoher Kammertemperatur (0,22 mScm?) Ein. 1) In einem Fall ist die Ablagerung / Ausfällung von Lithium ausgeglichen. Aufgrund des doppelten Effekts der Verringerung des Grenzflächenwiderstands und der Beschleunigung der Lithiumionenübertragung hemmen IPN-PEA-Elektrolyte wirksam das Wachstum von Lithiumdendriten und formen die Machbarkeit fester Lithiummetallbatterien bei Raumtemperatur um (J.Am.Chem.Soc., 2016, 138) 15825).

Angesichts der führenden Forschung der Arbeitsgruppe zu Festmetall-Lithiumbatterien wurden die Forscher vom Chefredakteur von ACSENERGYLET eingeladen, ein Outlook-Papier über die Forschungs- und Entwicklungsperspektiven von Festmetall-Lithiumbatterien zu verfassen (ACSENERGYLET., 2017, 2) Gleichzeitig wurde er eingeladen, einen zusammenfassenden Artikel über fortschrittliche Kohlenstoffmaterialien in der Lithium-negativen Elektrode aus Metall zu schreiben (Adv.Energy Mater., 2017, DOI: 10.1002 / aenm. 2017 00530). Auf Einladung des Adv.Sci.Journal arbeitete das Team außerdem mit Zhang Qiang, einem außerordentlichen Professor an der Tsinghua-Universität, zusammen, um eine Übersicht über das elektrochemische Verhalten von Lithium und die Strategien für das Elektrodendesign zu verfassen (Adv.Sci.2017, 4) 1600445).

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