Lithiumdendritenprobleme beeinträchtigen die Entwicklung der Lithiumbatterie und können die Leistung der Batterie schnell verringern

Lithiummetall hat eine spezifische Kapazität von 3860 MAH / g und ein Oxidationsreduktionspotential von 3,04 V (relative Standardwasserstoffelektrode). Auf diese Weise wiederaufladbares Lithiummetall Die Batterie wird zum potentiellsten der hochenergetischen sekundären wiederaufladbaren Batteriesysteme. Lithiumdendritenprobleme wirken sich jedoch auf die Entwicklung von Lithiumbatterien aus. Lithiumdendriten mit außer Kontrolle geratenem Wachstum können die Leistung der Batterie schnell beeinträchtigen, die Lebensdauer der Batterie verkürzen, sogar durchbohrt. Die Membran zwischen den Elektroden verursacht Sicherheitsprobleme wie Batteriekurzschluss .

Daher wird es zum Schlüsselproblem, wie bei einer großen Stromdichte, einer großen Energiedichte und Bedingungen mit langen Zyklen die wirksame Hemmung des Lithiumdendritenwachstums erreicht werden kann. Aus diesem Grund haben das japanische Forschungsinstitut für Industrietechnologie, Dr. Bai Songyan, Dr. Sun Yang, und der Universitätsprofessor von Nanjing, Zhou Haoshen, eine neue Art von MOF entwickelt, Elektrolyt, der das Wachstum von Lithiumdendriten mit hoher Kapazität derzeit hemmen kann.

Die Forschungshighlights:

1. MOF-basierte Elektrolyte in der großen Stromdichte, der großen Energiedichte und dem langen Zyklus erreichen die wirksame Hemmung des Lithiumdendritenwachstums.

2. Durch Berechnung bewiesen, dass die Struktur des MOF TFSI? Ionen der effektiven Regulation und realisieren einen gleichmäßigen Li + -Ionentransport.

Die TOC-Figur

Elektrolyte auf MOF-Basis sind die Verwendung einer geordneten superfeinen Porenstruktur von MOF (HKUST) als Ionensieb in gewöhnlichem Elektrolyten mlitfsidol / DME (1), um eine wirksame Regulierung des Ionentransports von Yin und Yang zu implementieren und einen hohen Ionenmigrationskoeffizienten und eine hohe Ionenleitfähigkeit zu demonstrieren . Relativ zum Ion von Yin und Yang bei der Störung der gewöhnlichen elektrischen hydraulischen Übertragung und zur Verursachung ungleichmäßiger Lithiumablagerungen kann die MOF-Struktur effiziente Ionenkanäle und selektiv langsame TFSI bereitstellen. Positive Ionen durch, um einen gleichmäßigen Effekt des Lithiumionentransports zu erzielen, realisieren die homogenen Lithiumablagerungen.

1 inhibierte das Wachstum des Lithiumdendriten

Um den MOF-Kanalmechanismus der Ionentransportarbeit von Yin und Yang zu veranschaulichen, führten die Forscher eine Reihe theoretischer Berechnungen durch. Mit der Berechnung der Dichtefunktionaltheorie (DFT) in zwei Extremfällen kann TFSI? Positive Ionen in einem horizontalen (Pfad - I) oder vertikalen (Pfad - II) Fall durch MOF-Kanal von Energiebarrieren. Die MOF-Rahmen-, Starr- oder Relaxationsbedingungen zwischen ihnen (F und F ') zur Basisdifferenz betragen 1,26 EV bzw. 0,63 EV. Die zugehörige Berechnung zeigt die Einschränkungen des MOF-Kanalraums für TFSI. Positive Ionen in der Kanalübertragung hatten einen selektiven Verzögerungseffekt.

Abbildung 2 DFT-Berechnungen TFSI? In MOF-Löchern bei der Übertragung von Energiebarrieren

Die Ergebnisse der Molekulardynamik (MD) -Simulation beweisen, dass die MOF-Struktur bis zum TFSI reicht. Anionisch wirksame Regulation zur Erzielung eines gleichmäßigen Li + -Ionentransports. Im gewöhnlichen elektrohydraulischen mlitfsidol / DME (1) ist der Solvatisierungsprozess TFSI? Die anionische Azimutverschiebung ist schneller als die Solvatisierung der Li + -Ionen. In MOF-basierten Elektrolyten verzögert sich die MOF-Kanalverzögerung TFSI? Durch Anion drin, machen die Li + -Ionen Azimutverschiebung schneller verbreitet.

Abbildung 3 li + und TFSI in gewöhnlichem Elektrolytelektrolyten auf DOL / DME- und MOF-Basis in der molekulardynamischen Simulation

Relativ zum Ion von Yin und Yang bei der Störung der gewöhnlichen elektrischen hydraulischen Übertragung und zu ungleichmäßigen Lithiumablagerungen kann die MOF-Struktur effiziente Ionenkanäle bereitstellen, selektive Verzögerung TFSI? Positive Ionen durch, um einen gleichmäßigen Effekt des Lithiumionentransports zu erzielen, realisieren die homogenen Lithiumablagerungen.

Symmetrischer Batterietest in den Fällen mit großer Stromdichte (5 ma / cm2, ma / cm2) von 10 ma / cm2 und 10, der der Energiedichte von MAH / cm2 (2,5 MAH / cm2, 5 und 10 MAH / cm2) entspricht. Die symmetrische Batterie kann eine lange Zykluszeit haben, zumindest sind in mehr als 800 Stunden keine offensichtlichen Anzeichen eines Kurzschlusses aufgetreten.

Abbildung 4 Elektrolyte auf mof-Basis bei symmetrischer Batterieleistung

Durch SEM-Beobachtung wächst das Lithiumdendritenwachstum nach dem Zyklus der Lithiummetallanode. Unter Verwendung einer herkömmlichen symmetrischen Elektrolytbatterie in 10 MAH / cm2 und unter der Bedingung von 10 MAH / cm2 Batterien in 120 Stunden nach einem Kurzschluss. Das Wachstum der Lithiummetallanodenoberfläche einer großen Anzahl von bis zu 10 Mikrometer Lithiumdendriten-Lochmembranen verursacht einen Kurzschluss. Bei der Verwendung einer MOF-Basiselektrolytbatterie hemmte Lithiumdendrit offensichtlich das Wachstum der Situation. In drei großen Stromdichten unter den Bedingungen der Fälle gab es kein offensichtliches Lithiumdendritenwachstum.

5 Die Oberflächenmorphologie der Lithiummetallelektrode ändert sich unter verschiedenen Stromdichten

Lithiumtitanat, das als Elektrodenmaterial verwendet wird und unter den Bedingungen eines hohen Stroms überprüft wird, verwendet den MOF-Basiselektrolyten der Lithiumbatterie und kann auch die Stabilität der Langzeitleistung zeigen. Bei einer Stromdichte von 7 ma / cm2 erreichen Lithiumtitanat-lithium-batterien nach der Schleife 2000-mal nur 7 MAH / cm2 Kapazitätsverlust. Die Verlustrate jeder Runde beträgt nur 0,0025%.

Abbildung 6 Elektrolyte auf mof-Basis in Lithiumbatterien, elektrochemischer Leistungstest

Mit einem Wort, die Studie berichtete zuerst über die Rolle von Elektrolyten auf MOF-Basis beim Schutz von Lithiumkathoden, die für die weitere Entwicklung von Lithiumbatterien von großer Bedeutung sind. Darüber hinaus zeigt die Studie auch die ultramikroporige Struktur des MOF seiner möglichen Anwendungen im Batteriesystem.

BaiS, SunY, YiJ, et al.

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