رفتار یکنواخت رسوب لیتیوم از پایین به بالا در آرایه های نانوسوزن بر روی فیلم کربن سه بعدی اصلاح شده

تاریخ انتشار مقاله APRIL 27, 2023

توسط  Chinese Academy of Sciences

از زمانی که باتری های لیتیوم یونی (LIBs) با موفقیت تجاری شدند، زندگی انسان متحول شده است. با این حال، وسایل الکترونیکی قابل حمل مدرن نیاز به انرژی را افزایش داده اند و بنابراین به باتری هایی با چگالی انرژی بالا نیاز دارند. استفاده مستقیم از فلز لیتیوم به عنوان آند به دلیل ظرفیت فوق العاده بالا (3860 میلی آمپر ساعت بر گرم) و پتانسیل الکتروشیمیایی منفی پایین (3.04- ولت در مقابل الکترود هیدروژن استاندارد) یک استراتژی امیدوارکننده در نظر گرفته می شود.

با این حال، استفاده از فلز لیتیوم در حال حاضر به دلیل چرخه پذیری نامطلوب، مسائل ایمنی جدی و قابلیت نرخ ضعیف امکان پذیر نیست. یک مسئله به خصوص مهم تشکیل یک لایه بین فاز جامد الکترولیت ضعیف (SEI) است. لایه SEI زمانی تشکیل می شود که فلز لیتیوم با الکترولیت واکنش می دهد. به دلیل ناپایداری، لایه SEI اغلب به دلیل تغییر حجم زیاد فلز لیتیوم شکسته می شود.

تجزیه SEI منجر به قرار گرفتن در معرض Li بدون واکنش می شود، که متعاقباً با الکترولیت های مایع واکنش می دهد تا SEI بیشتری تشکیل دهد و در نتیجه باعث شکست سلول در طول فرآیند چرخه می شود. علاوه بر این، هسته‌زایی ناهموار و تشکیل دندریت‌های لیتیوم سوزنی مانند دیگر مسائل کلیدی است که استفاده از فلز لیتیوم را به عنوان آند محدود می‌کند. اینها از افزایش چگالی جریان محلی ناشی می شوند و در نهایت جداکننده را سوراخ می کنند و باعث به اخطر انداختن ایمنی می شوند. توسعه یک استراتژی موثر برای مهار رشد دندریت های لیتیوم ضروری است.

اخیراً، تیم پروفسور ژیفنگ ژنگ از دانشگاه شیامن دست‌نوشته‌ای با عنوان «رسوب فلزی همگن تنظیم‌شده توسط سایت‌های لیتیوفیل فراوان در آرایه‌های نانوسوزن اکسیدهای نیکل/کبالت برای باتری‌های فلزی لیتیوم» در مجله انرژی شیمی منتشر کردند.

آرایه‌های نانوسوزن سنگ نمک NiO و CoO بر روی فیلم کربن مشتق شده از لیگنین برای دستیابی به چرخه آبکاری برگشت‌پذیر لیتیوم تحت چگالی جریان بالا رشد داده شدند. ساختار منطقی شبکه های سه بعدی نقش مهمی در ترویج شار لیتیوم یونی همگن و کاهش چگالی جریان محلی ایفا می کند.

سایت های لیتیوفیل فراوان در فیلم از رشد دندریتی لیتیوم جلوگیری می کنند. رسوب یکنواخت لیتیوم از پایین به بالا را می توان با آرایه های نانوسوزن سه بعدی منحصر به فرد تسهیل کرد. الکترود NCO-CNF به دلیل ساختار منحصربه‌فرد خود، چرخه لیتیوم/آبکاری پایدار را تا 4000 ساعت نشان داد.

علاوه بر این، پایین ساختار منحصر به فرد دارای قوی ترین خواص لیتیوفیلیک است و به دنبال آن سطح نانوسوزن ها و کانال اطراف آن قرار دارد. یک سلول کامل NCO-CNF/Li-LFP، برگشت پذیری چشمگیری در دمای 0.5 درجه سانتی گراد تا 80 سیکل نشان می دهد. در نتیجه، این مطالعه یک استراتژی منطقی برای طراحی بسترهای لیتیوفیل برای ایجاد رسوب فلزی همگن پیشنهاد می‌کند، که یک روش بالقوه مفید برای کاهش مشکلات دندریت در باتری‌های فلزی لیتیوم نسل بعدی است