Литиевая батарея с высокой плотностью энергии нано-твердого металла и ее основные материалы

Рис. 1. Схематическая диаграмма (а) процесса осаждения и (б) механизма осаждения металлического лития на изогнутых графитовых сферах.

Рисунок 2. (а) Схематическое изображение кривой разряда и осаждения графического углеродного волокна. (б) Исходный материал и (в) после разряда до 0 В, (г) осаждение 2 мА · см? После 2, (E) депозит 8mAhcm? Через 2, (е) растворяется 4mAhcm? 2 Морфология поверхности электрода при зарядке до 1 В с помощью (г).

Рисунок 3. (a) Приготовление (вверху) и осаждение лития (внизу) электролитов ipn-PEA. (б) Модульная схема электролитов ipn-PEA. (c) Ли | электролит ipn-PEA | Фото отключения аккумуляторной батареи LFP soft pack. Светодиодное устройство может гореть до (E) и после (f) испытания гибкой батареи на изгиб.

При поддержке Министерства науки и технологий, Государственного совета по естественным наукам и технологиям и Китайской академии наук Китайский национальный научно-технический фонд приложил большие усилия для разработки нанотвердых литий-металлических батарей с высокой плотностью энергии для решения проблемы утилизации и безопасности. Гуоюйго, научный сотрудник Ключевой лаборатории молекулярных наноструктур и нанотехнологий Института химии Китайской академии наук, добился ряда успехов в исследовании металлического литиевого отрицательного электрода, твердого электролита и твердой батареи.

В последние годы исследователи этой группы давно посвятили себя изучению отрицательного электрода из металлического лития. В предыдущей исследовательской работе, чтобы решить проблему неравномерного растворения и осаждения (т.е. дендрита) отрицательного электрода металлического лития во время зарядки и разрядки, они предложили использовать трехмерные нанокристаллы для обеспечения равномерного осаждения и растворения металлический литий внутри трехмерного электрода. Контроль дендритов металлического лития был успешно достигнут (Nat.Comun., 2015, 6,8058). Исследователи предложили и разработали технологию обработки на месте, которая позволила успешно сформировать твердую мембрану из фосфата лития-электролита с модулем Гаоянши и быстрой способностью переноса ионов лития на поверхности металлического лития, что эффективно уменьшило побочную реакцию между металлическим литием и электролитом. Рост дендритов лития (Adv. Mater., 2016, 28, 1853).

Для дальнейшего решения проблемы низкого использования отрицательных полюсов металлического лития, исследователи предложили высокоэффективную и стабильную концепцию «хранилища лития» (рис. 1), основанную на структурных преимуществах графитовых углеродных материалов, и вырастили лук на трех -размерный проводящий каркас., графически изображенные сферические частицы углерода, достигается равномерное регулирование границы раздела металлический литий / электролит, эффективно контролируется рост дендритов металлического лития на углеродной сферической поверхности, а степень использования лития значительно увеличивается. При условии, что емкость отрицательного электрода превышает только 5%, аккумулятор может стабилизировать цикл в течение длительного времени. Результаты этого исследования недавно опубликованы. Опубликовано в J.Am.Chem.Soc. (2017, 139,5916).

Чтобы решить проблему роста дендритов и плохой стабильности цикла в анодах из металлического лития большой емкости, исследователи использовали электрохимически активные графитированные углеродные волокна в качестве многофункциональных трехмерных токоприемников для получения металлов с площадью поверхности до 8 мА · ч · см-2. и никаких дендритов. Литиевый отрицательный электрод. Поскольку графитированное углеродное волокно может снизить локальную плотность тока и облегчить изменение объема, анод демонстрирует высокую кулоновскую эффективность, низкую поляризацию напряжения и длительный срок службы во время цикла. Соответствующие результаты были недавно опубликованы в Adv. Матер. (2017, 29, 1700389)) в.

В ранних исследованиях электролитов для металлических литиевых батарей существует необратимая деградация SEI, спонтанно образующегося на поверхности металлического лития во время цикла. Рабочая группа разработала смешанную электролитную систему, состоящую из эфирных электролитов и ионных жидкостей. Улучшенные характеристики осаждения и циклическая стабильность отрицательного электрода из металлического лития (Adv.Sci., 2017, 4,1600400); Исследователи предложили функциональную добавку к электролиту, содержащую коллоидные частицы Al. Добавив AlCl3 в электролит, им удалось сформировать однородную, стабильную и компактную SEI-мембрану на поверхности металлического лития in situ, стабилизируя границу раздела металлический литий / электролит (NanoEnergy, 2017, 36,411).

Для повышения безопасности аккумуляторных батарей и дальнейшего решения проблемы дендритов лития в жидких электролитах исследователи разработали и сконструировали тип твердого электролита из поли (эфир-акрилата) с двухфункциональной взаимопроникающей сеткой (рис. 3). Твердый электролит (ipn-PEA) обеспечивает высокую механическую прочность (около 12 ГПа) и ионную проводимость при высокой температуре камеры (0,22 мСм2). 1) В одном случае осаждение / осаждение лития сбалансировано. Благодаря двойному эффекту уменьшения межфазного сопротивления и ускорения передачи ионов лития, электролиты ipn-PEA эффективно подавляют рост дендритов лития и изменяют возможность создания твердотельных литий-металлических батарей при комнатной температуре (J.Am.Chem.Soc., 2016, 138 , 15825).

В связи с ведущими исследованиями целевой группы по твердосплавным литиевым батареям, главный редактор ACSENERGYLET пригласил исследователей написать обзорный доклад о перспективах исследований и разработок твердосплавных литиевых батарей (ACSENERGYLET., 2017, 2). , 1385), в то же время его пригласили написать сводную статью о современных углеродных материалах в литиевом отрицательном металлическом электроде (Adv.Energy Mater., 2017, DOI: 10.1002 / aenm. 2017 00530). Кроме того, по приглашению журнала Adv.Sci.Journal, команда также сотрудничала с Чжан Цян, доцентом Университета Цинхуа, чтобы написать обзорную статью об электрохимическом поведении лития и стратегиях проектирования электродов (Adv.Sci.2017, 4 , 1600445).

Страница содержит содержимое машинного перевода.