Batería de litio de nano metal sólido de alta densidad de energía y sus materiales clave

Fig. 1. Un diagrama esquemático de (a) proceso de deposición y (b) mecanismo de deposición de litio metálico en esferas de grafito curvas.

Figura 2. (a) Un diagrama esquemático de la curva de descarga y deposición de fibra de carbono graficada. (b) El material original y (c) después de la descarga a 0 V, (d) deposición de 2 mAhcm. Después de 2, (E) deposita 8mAhcm? Después de 2, (f) se disuelve 4mAhcm? 2 La morfología de la superficie del electrodo cuando se carga a 1 V con (g).

Figura 3. (a) Preparación (arriba) y deposición de litio (abajo) de electrolitos ipn-PEA. (b) Diagrama modular de electrolitos ipn-PEA. (c) Li | electrolito ipn-PEA | Foto de voltaje de corte de batería del paquete de software LFP. El dispositivo LED se puede encender antes (E) y después (f) de la prueba de flexión de la batería flexible.

Con el apoyo del Ministerio de Ciencia y Tecnología, el Consejo Estatal de Ciencias Naturales y Tecnología y la Academia de Ciencias de China, la Fundación Nacional de Ciencia y Tecnología de China ha realizado grandes esfuerzos para desarrollar baterías nano-sólidas de metal de litio de alta densidad de energía para resolver los desafíos del reciclaje y la seguridad. Guoyuguo, investigador del Laboratorio clave de nanoestructuras moleculares y nanotecnología del Instituto de Química de la Academia de Ciencias de China, realizó una serie de avances en la investigación del electrodo negativo de litio metálico, electrolito sólido y una batería sólida.

En los últimos años, los investigadores de este grupo se han dedicado durante mucho tiempo al estudio del electrodo negativo del litio metálico. En el trabajo de investigación anterior, para resolver el problema de la disolución y deposición desigual (es decir, dendrita) del electrodo negativo de litio metálico durante la carga y descarga, propusieron el uso de nanocristales tridimensionales para guiar la deposición y disolución uniforme de litio metálico dentro del electrodo tridimensional. El control de las dendritas metálicas de litio se logró con éxito (Nat.Comun., 2015, 6.8058). Los investigadores propusieron y desarrollaron una tecnología de tratamiento in situ que formó con éxito una membrana sólida de fosfato de electrolito de litio con módulo de Gaoyangshi y capacidad de transporte rápido de iones de litio en la superficie del litio metálico, lo que redujo efectivamente la reacción secundaria entre el litio metálico y el electrolito. El crecimiento de las dendritas de litio (Adv.Mater., 2016, 28, 1853).

Para resolver aún más el problema de la baja utilización de los polos negativos de litio metálico, los investigadores propusieron un concepto de "sala de almacenamiento de litio" altamente eficiente y estable (Figura 1) basado en las ventajas estructurales de los materiales de carbono de grafito, y cultivaron cebolla en los tres. -esqueleto conductor dimensional., partículas de carbono esféricas graficadas, se logra la regulación uniforme de la interfaz metal litio / electrolito, se controla eficazmente el crecimiento de dendritas metálicas de litio en la superficie esférica de carbono y se aumenta considerablemente la tasa de utilización del litio. Bajo la condición de que la capacidad del electrodo negativo sea solo un 5% excesiva, la batería aún puede estabilizar el ciclo durante mucho tiempo. Los resultados de este estudio se publicaron recientemente. Publicado en J.Am.Chem.Soc. (2017, 139, 5916).

Con el fin de resolver el problema del crecimiento de dendrita y la escasa estabilidad del ciclo en ánodos de metal de litio de alta capacidad, los investigadores utilizaron fibras de carbono grafitizadas electroquímicamente activas como colectores de corriente tridimensionales multifuncionales para obtener metales con un área de superficie de hasta 8 mAhcm-2. y sin dendritas. Electrodo negativo de litio. Dado que la fibra de carbono grafitizada puede reducir la densidad de corriente local y aliviar el cambio de volumen, el ánodo exhibe una alta eficiencia culómbica, polarización de bajo voltaje y un ciclo de vida prolongado durante el ciclo. Los resultados relacionados se publicaron recientemente en Adv. Mater. (2017, 29, 1700389)) en adelante.

En el trabajo de investigación inicial sobre electrolitos para baterías de litio metálico, existe la degradación irreversible de SEI formada espontáneamente en la superficie del litio metálico durante el proceso del ciclo. El grupo de trabajo diseñó un sistema de electrolitos mixtos de electrolitos de éter más líquidos iónicos. Mejor comportamiento de deposición y estabilidad cíclica del electrodo negativo de metal litio (Adv.Sci., 2017, 4,1600400); Los investigadores propusieron un aditivo electrolítico funcional que contiene partículas coloidales de Al. Al agregar AlCl3 al electrolito, lograron formar una membrana SEI uniforme, estable y compacta en la superficie del litio metálico in situ, estabilizando la interfaz de litio metálico / electrolito (NanoEnergy, 2017, 36,411).

Para mejorar la seguridad de la batería y resolver aún más el problema de las dendritas de litio en los electrolitos líquidos, los investigadores diseñaron y construyeron un tipo de electrolito sólido de poli (éter-acrilato) con estructura de red interpenetrante de dos funciones (Fig. 3). El electrolito sólido (ipn-PEA) establece una alta resistencia mecánica (aproximadamente 12 GPa) y una conductividad iónica de temperatura de cámara alta (0,22 mScm?). 1) En uno, la deposición / precipitación de litio está equilibrada. Debido al doble efecto de reducir la resistencia de la interfaz y acelerar la transmisión de iones de litio, los electrolitos ipn-PEA inhiben eficazmente el crecimiento de las dendritas de litio y remodelan la viabilidad de las baterías sólidas de metal de litio a temperatura ambiente (J.Am. Chem.Soc., 2016, 138). , 15825).

En vista de la investigación líder del grupo de trabajo sobre baterías de litio de metal sólido, el editor en jefe de ACSENERGYLET invitó a los investigadores a escribir un documento de perspectivas sobre las perspectivas de investigación y desarrollo de las baterías de litio de metal sólido (ACSENERGYLET., 2017, 2). , 1385), al mismo tiempo, fue invitado a escribir un artículo resumen sobre materiales de carbono avanzados en el electrodo de litio negativo de metal (Adv.Energy Mater., 2017, DOI: 10.1002 / aenm.2017 00530). Además, por invitación del Adv.Sci.Journal, el equipo también colaboró con Zhang Qiang, profesor asociado de la Universidad de Tsinghua, para escribir un artículo general sobre el comportamiento electroquímico del litio y las estrategias de diseño de electrodos (Adv.Sci.2017, 4). 1600445).

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