Использование тонкой пленки из наноалмазов для стабилизации Литиевого анода

нанопленка для стабилизации Li электрода

Хотя металлический анод из лития является многообещающим средством для батарейных систем нового поколения с высокой энергетической плотностью, практическое применение его сильно ограничивается из-за низкой эффективности и потенциальных опасностей, в основном из-за высокой реакционной способности металлического Li в отношении жидких электролитов.

Сейчас группа исследователей из Стэнфордского университета продемонстрировала использование тонкой пленки наноалмазов в качестве защиты поверхности металлических Li анодов. Литий можно гальванизировать под пленкой и защищать от паразитных реакций электролитом.

Тонкая пленка наноалмаза обладает не только превосходной электрохимической стабильностью, но и чрезвычайно высокой степенью подавления дендрита. Поскольку пробелы в поверхностном защитном слое снизили бы однородность потока ионов, исследователи предложили уникальную двухслойную структуру, чтобы повысить устойчивость к дефектам конструкции. Т.е. дефекты в одном слое могут быть экранированы другим неповрежденным слоем.

В документе с открытым доступом о своей работе опубликованном в журнале Joule , исследователи пришли к выводу, что интерфейс наноалмаза позволяет эффективно циклировать металлический анод Li, прокладывая открывая путь для эфективных металлических литиевых батарей и применение их в электромобилях будущего.

Устойчивость перехода между литием и электролитом особенно важна для безопасной и эффективной работы батарей с анодами из Лития с наивысшей теоретической емкостью (3,860 мАч/г-1) и наименьший потенциал (-3,040 В по сравнению с стандартными водородными электродами). В частности, благодаря своей высокой реакционной способности практически любой доступный электролит может спонтанно восстанавливаться на поверхности Li, образуя слой твердофазной электролитической интерфазы (SEI). Однако этот пассивирующий слой SEI обычно является слишком хрупким, чтобы выдерживать значительную механическую деформацию электрода во время циклирования, что приводит к образованию трещин. Трещины обнажают свежий Li на подложке и локально усиливают поток Li-ion, что часто приводит к дендритному осаждению Li, которое может вызвать внутреннее короткое замыкание и поставить под угрозу безопасность батареи. Более того, повторная растворение и восстановление SEI приводит к непрерывной потере как Лития, так и электролита, что приводит к низкой кулоновской эффективности (CE) и быстрому падению емкости аккумуляторов.

Межфазная инженерия является одним из основных средств для решения серьезных недостатков металлических анодов Li, вызванных их нестабильным SEI. Этот подход основан на внедрении искусственного покрытия пленкой на токосъемник для усиления спонтанно сформированного слоя SEI, и в идеале два слоя могут перемещаться вместе во время циклирования батареи без трещин и побочных реакций.
Для достижения этой цели требуются жесткие требования к проектированию межфазного слоя:

1) он должен быть абсолютно устойчивый к Li, что исключает большую часть полимерных и неорганических покрытий, исследованных в качестве потенциальных кандидатов;

2) особенно желательна высокая степень упругости и компактная структура, поскольку механическая прочность электрода из Li может играть ключевую роль в замедлении распространения дендрита;

3) требуется определенная степень гибкости для учета изменения объема электрода во время циклирования;

4) слой должен обеспечить однородный поток литий-ионов без локальных горячих точек;

Не смотря на прошлый прогресс, достаточно развитый стабильный межфазовый слой, который может одновременно отвечать всем вышеперечисленным требованиям, еще не разработан.

Здесь мы представляем ультратонкую пленку для Li-металла, которая рационально разработана для строгого удовлетворения всех вышеупомянутых требований. Межфазный слой был построен с использованием высококачественных наноалмазов, материала, хорошо известного своей высокой степенью насыщения, химической инертностью и электрически изолирующей природой, который идеально подходит для защиты металла Лития.

-Liu et al.

Команда Стэнфорда синтезировала интерфейс наноалмаза с помощью микропористого химического осаждения из паровой фазы (MPCVD) — метод, который оказался недорогим для покрытия.

Интерфейс наноалмазов обладал чрезвычайно высоким модулем более 200 ГПа — самым высоким значением реальных измерений, зарегистрированных до сих пор среди искусственных покрытий для Li-металла, которые могут эффективно остановить распространение дендритов.

Команда получила высокую кулоновскую эффективность> 99,4% при 1 мА см-2 и более 400 устойчивых циклов в литий содержащих, что соответствует средней анодной кулоновской эффективности> 99%.

Из-за многочисленных преимуществ покрытие наноалмазами достигало наилучших результатов в плане циклического лития  как в полноцепочечных, так и в полуцепочечных и Li-S-конфигурациях. Мы считаем, что наш рациональный подход может стать жизнеспособным вариантом для стабилизации металлических анодов Li и в то же время пролить новый свет на выбор материалов и конструктивное проектирование искусственных интерфейсов для металлических анодов Li. И применим в аккумуляторных батареях для электромобилей в ближайшем будущем.

-Liu et al.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *