Lithium (Li)-Metallanoden mit der höchsten spezifischen Kapazität (3.860 mAh g-1) und dem niedrigsten Redoxpotential (-3,04 V gegenüber Standard-Wasserstoffelektroden) gelten als potenzielle Alternative für das Lithium mit hoher Energiedichte der nächsten Generation Batterien. Allerdings war die instabile Grenzfläche zwischen Elektrolyt und Li-Metallanode das größte Hindernis für die praktische Anwendung von Li-Metallanodenbatterien.
Forschern unter der Leitung von Prof. Bai Shuo und Prof. Li Feng vom Institut für Metallforschung (IMR) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) ist es zusammen mit Prof. Tan Jun vom Ji Hua Laboratory gelungen, die räumlich selektive Verteilung des Metalls zu erreichen Gezielte Solvatisierungsstruktur von Ionen an der Elektrolyt-Anoden-Grenzfläche durch Herstellung von Mikroarrays aus Nano-Hydroxylapatit (nHA) mit hoher Li+-Bindungsenergie auf Kupferfolie (Cu).
Ihre Arbeit wurde veröffentlicht in Fortgeschrittene Werkstoffe.
Den Forschern zufolge liegt der Schlüssel zu einer stabilen Li-Metallanode in der Konstruktion eines robusten Feststoffelektrolyt-Schnittstellenfilms (SEI) an der Elektrolyt-Anoden-Grenzfläche. Der idealste Ansatz besteht darin, die solvatisierte Struktur der Ionen im Elektrolyten, insbesondere an der Elektrolyt-Anoden-Grenzfläche, zu optimieren und gleichzeitig die Eigenschaften des Massenelektrolyten beizubehalten.
Sie fanden heraus, dass die elektronegativen nHA-Partikel mit hoher Li+-Bindungsenergie die Solvatationsstruktur von Ionen im Elektrolyten effektiv beeinflussen können. Li+ wandert bevorzugt zur Oberfläche des nHA-Partikels und bildet eine lokale Li+-reiche Region um das nHA-Partikel, wo Anionen mit mehr Li+ interagieren können, um mehrfach koordinierte Anionen zu bilden.
Basierend auf dieser Erkenntnis werden Mikroarrays von nHA weiter auf Cu-Folie (Stromkollektor der Anode) hergestellt, um bevorzugt mehrfach koordinierte Anionen an der Elektrolyt-Anoden-Grenzfläche zu bilden. Unterdessen bestätigt das Experiment auch, dass die Mikroarrays keinen Einfluss auf die Solvatationsstruktur des Massenelektrolyten haben.
Im Allgemeinen werden unkoordinierte Anionen von der elektronenreichen Anode stark abgestoßen, was die Zersetzungseffizienz der Anionen stark verringert. In dieser Studie können unter Verwendung von nHA-Mikroarrays die mehrfach koordinierten Anionen an der Elektrolyt-Anoden-Grenzfläche von Li+ transportiert werden, um die elektrische Doppelschicht auf der Anode effektiv zu durchqueren, was für einen von Anionen abgeleiteten SEI-Film erwünscht ist. Die Anionen im Elektrolyten werden im SEI-Film vollständiger in hochschützende anorganische Komponenten zersetzt, die das Dendritenwachstum auf der Anode wirksam unterdrücken können.
Dadurch wird bei hohen Lade-Entlade-Stromdichten das Risiko des berüchtigten Mikrokurzschlusses bei Li-Metall-Batterien deutlich reduziert.
Die Entdeckung elektronegativer Materialien, die die lokale Solvatationsstruktur im Elektrolyten anpassen, liefert neue Designprinzipien für den Aufbau robuster SEI für stabile Li-Metall-Batterien.
Mehr Informationen:
Haorui Shen et al., Räumlich selektive Lösungsstruktur durch elektronegative Mikroarrays für eine stabile Lithium-Metall-Anodenschnittstelle, Fortgeschrittene Werkstoffe (2023). DOI: 10.1002/adma.202306553