Quan-Hong Yang de l'Université de Tianjin et Wei Lv de la Graduate School de Shenzhen, L'Université Tsinghua et ses collègues ont signalé un poids léger, cadre de nanofibres de carbone à dopage à l'azote de haut niveau comme collecteur de courant pour les anodes en lithium métal, ce qui pourrait restreindre la croissance des dendrites et obtenir un dépôt de lithium uniforme. Ce travail a été récemment publié dans Science Chine Matériaux .

Le groupe de Yang et le groupe de Lv se consacrent toujours aux matériaux carbonés et à leurs applications dans le stockage d'énergie.

Les auteurs écrivent, "Malgré la haute densité énergétique des batteries au lithium métal, la croissance intraitable des dendrites a entraîné une faible efficacité coulombienne, un court-circuit interne et même des problèmes dangereux entravent leur utilisation pratique. Les matériaux carbonés peuvent jouer un rôle important dans la résolution des problèmes mentionnés ci-dessus, permettant l'application pratique des anodes au lithium métal."

Les chercheurs ont fait des efforts pour résoudre le problème des dendrites de lithium. Les structures conductrices d'ossature tridimensionnelle, comme le collecteur de courant Cu poreux et le cadre de graphène 3-D, ont attiré l'attention car ils peuvent réduire la densité de courant local et s'adapter à de grands changements de volume pendant le cycle.

"Malgré l'excellente stabilité de la structure et la conductivité électrique supérieure, le collecteur de courant en métal poreux est lourd, comprenant grandement la densité d'énergie, " Yang a dit, "le cadre en carbone poreux est léger, ce qui profite pour améliorer la densité énergétique basée sur l'ensemble du dispositif. Pourtant, leurs surfaces non lithiophiles ne sont pas idéales pour la nucléation et le dépôt uniformes du lithium."

Les groupes fonctionnels contenant de l'azote sur la surface de la charpente carbonée peuvent interagir avec les atomes de lithium et améliorer la lithiophilie de la charpente carbonée. En utilisant le polyacrylonitrire comme matière première, une matrice de nanofibres de carbone conductrices (NCNF) 3D légère et fortement dopée à l'azote peut être facilement préparée par électrofilage, pré-oxydation et traitement thermique.

L'utilisation du NCNF comme collecteur de courant présente plusieurs avantages :

1. Une matrice légère peut maintenir la nature de capacité spécifique élevée de l'anode en métal Li. La densité du NCNF n'est que de 0,57 mg/cm2. Lorsque la charge en lithium est de 4 mAh/cm ² , le NCNF léger apporte une grande capacité de 2 489,7 mAh/g à base de composite NCNF-Li;
2. Une surface spécifique élevée et une structure 3D sont utiles pour abaisser la densité de courant local et s'adapter aux grands changements de volume pendant le cycle ;
3. Un dopage élevé à l'azote garantit des sites à surpotentiel de nucléation suffisants et faibles sur la grande surface du NCNF, guidant uniformément la nucléation du lithium et supprimant la croissance de la dendrite de lithium.

Ceux-ci ont abouti à une excellente stabilité de cycle avec une efficacité coulombique élevée de plus de 98 pour cent pendant plus de 250 cycles pour le dépôt de lithium. De plus, lorsqu'il est associé à l'anode Li@NCNF avec LiFePO4 pour assembler la cellule complète, une polarisation de tension réduite et une rétention de capacité élevée ont été montrées.

Yang dit, "Ce travail a clairement démontré les rôles importants du dopage par hétéroatome pour la modification de la surface du carbone afin de réaliser le dépôt d'anode métallique uniforme et sans dendrite, et a également montré un grand potentiel de NCNF léger pour une utilisation dans des anodes à base de métal à haute densité d'énergie."