Während Lithiummetall eine ideale Anode für Batterien mit hoher Energiedichte der nächsten Generation ist, müssen noch einige Herausforderungen bewältigt werden, bevor es sein volles Potenzial ausschöpfen kann. Ein Forschungsteam hat eine Studie über das Abscheidungsverhalten von Lithium durchgeführt und eine Strategie mit harten Kohlenstoffwirten entwickelt, die erfolgreich einige der Probleme angeht, mit denen derzeit die Entwicklung der Lithiummetallanode konfrontiert ist.
„Diese Strategie befasst sich mit der Volumenänderung und den Dendritenproblemen durch rational gestaltete Wirte und Elektrolyte und bietet eine breite Perspektive für die Realisierung einer Lithium-Metall-Anode“, sagte Liping Wang, Professor an der University of Electronic Science and Technology of China.
Das Team veröffentlichte seine Forschungsergebnisse in der Zeitschrift Nanoforschung.
Lithiummetall gilt aufgrund seiner ultrahohen theoretischen Kapazität, seines extrem niedrigen Elektrodenpotentials und seiner geringen Dichte als vielversprechende Anode für Batterien der nächsten Generation. Lithiummetall leidet jedoch unter unkontrollierbarem Lithiumdendritenwachstum, Nebenreaktionen und unendlicher relativer Volumenänderung. Diese Probleme können die Effizienz der Batterien verringern und die Batterielebensdauer verkürzen, was möglicherweise sogar zu Kurzschlüssen oder Sicherheitsrisiken führt.
Im Laufe der Zeit haben Forscher verschiedene Strategien vorgeschlagen, um das Dendritenwachstum und die Volumenexpansion zu verringern. Diese Strategien umfassen die Konstruktion dreidimensionaler Lithium-Verbundanoden, die Optimierung der Zusammensetzung von Elektrolyten, die Anwendung künstlicher Zwischenphasen und die Verwendung von Festkörperelektrolyten.
Der dreidimensionale Wirt ist die vielversprechendste Strategie, um die Probleme der Volumenexpansion und des Dendritenwachstums anzugehen. Materialien auf Kohlenstoffbasis sind ideale Wirtskandidaten für Lithium-Metall-Anoden, da sie leicht sind, eine hohe Leitfähigkeit und viele Porenstrukturen sowie stabile elektrochemische/chemische Eigenschaften aufweisen.
„Doch selbst mit diesen Vorteilen wurden die Herausforderungen der Volumenexpansion und des Dendritenwachstums durch den kohlenstoffbasierten Wirt nicht vollständig gelöst“, sagte Wang.
In jüngerer Zeit haben Forscher die Modifizierung von Kohlenstoffmaterialien mit lithiophilen Spezies (wie Zink, Zinkoxid, Aluminium, Zinn, Silizium, Silber und Magnesium) und die Entwicklung geeigneter Elektrolyte als wirksame Methoden zur Verbesserung der Leistung dieser dreidimensionalen Wirtsmaterialien untersucht.
„Dennoch wurden das Lithiumabscheidungsverhalten und sein intrinsischer Mechanismus in diesen Prozessen nicht systematisch analysiert“, sagte Wang.
Um die Struktur-Aktivitäts-Beziehung besser zu verstehen und die Entwicklung von Hochleistungs-Wirtselektroden auf Kohlenstoffbasis, das Lithiumabscheidungsverhalten und seinen intrinsischen Mechanismus zu steuern, führte das Forschungsteam eine eingehende Studie durch. Sie verwendeten ein optisches Mikroskop und ein Rasterelektronenmikroskop, um das Lithiumabscheidungsverhalten der Kohlenwasserstoffelektrode unter verschiedenen Oberflächenmodifikationen und Elektrolyten systematisch zu untersuchen.
Sie fanden heraus, dass sich Lithium nicht spontan in den Kohlenstoffporen ablagert, was erheblich von der Kohlenstoffoberfläche, der Stromdichte, der Flächenkapazität und dem Elektrolyten abhängt.
Daher entwickelte das Team einen lithiophil modifizierten kommerziellen Hartkohlenstoff mit Silber als stabilem Wirt. Sie entdeckten, dass die Einführung lithiophiler Stellen ein moderates Dendritenwachstum induzierte und die Volumenexpansion hemmte.
Sie entdeckten auch, dass sich lokalisierte hochkonzentrierte Elektrolyte als kompatibler mit Lithium erwiesen und die Morphologie der Lithiumabscheidung anstelle des Dendriten optimieren konnten. Daher zeigte die Silber/Kohlenwasserstoff-Elektrode in dem lokalisierten hochkonzentrierten Elektrolyten eine geringe Volumenänderung während des Zyklierens, erzielte eine einheitliche und dendritenfreie Morphologie der Lithiumabscheidung und zeigte eine gute Langzeitzyklisierung mit hoher Effizienz über 316 Zyklen.
Das Team fasste seine Ergebnisse zusammen und erklärte, dass, obwohl poröser Kohlenstoff Platz hat, um theoretisch Lithium zu halten, die Lithiumionen sich nicht in den erwarteten Poren ablagern, da Lithiumatome es vorziehen, sich im explosiven Wachstumsmodus anzusammeln und stark genug sind, um die Kohlenstoffpartikel zu stützen. Sie entdeckten auch, dass die Oberflächenmodifikation auf Kohlenstoff die Lithiumabscheidung mit abnehmender Keimbildungsbarriere teilweise moderieren kann.
Es ist jedoch nicht signifikant effizient, da es sich um ein Lithium-Lithium-Abscheidungsverhalten handelt, nachdem Lithium auf lithiophilem Kohlenstoff abgeschieden wurde. Das Team erfuhr, dass die Verwendung lokalisierter, hochkonzentrierter Elektrolyte effizienter ist, um eine dendritenfreie Lithiumabscheidung zu erreichen.
Mehr Informationen:
Ge Zhou et al, Verhalten der Lithiumabscheidung in Wirten aus hartem Kohlenstoff: Untersuchung mit optischer Mikroskopie und Rasterelektronenmikroskopie, Nanoforschung (2022). DOI: 10.1007/s12274-022-5256-8
Zur Verfügung gestellt von Tsinghua University Press