Les anodes en graphite ont été largement utilisées pour les batteries lithium-ion (LIB) au cours des deux dernières décennies. Le remplacement du lithium métallique par du graphite permet un fonctionnement sûr et très efficace des LIB, cependant, sacrifiant considérablement la capacité spécifique et la densité énergétique. En réalité, comme le "Saint Graal" des batteries au lithium, les anodes de lithium métal présentent une capacité spécifique théorique très élevée de 3860 mAh g ^-1 et le potentiel redox négatif le plus bas de -3,040 V par rapport à l'électrode à hydrogène standard. Cependant, les dendrites de lithium se formant et s'allongeant au cours du cyclage peuvent percer le séparateur polymère, entraînant un court-circuit et un emballement thermique ultérieur de la batterie.

« Les dendrites sont principalement induites par une distribution inhomogène à la fois de la densité de courant sur l'anode de lithium et du gradient de concentration des ions lithium à l'interface électrolyte/électrode, ' a expliqué le Dr Qiang Zhang du Département de génie chimique, Université Tsinghua de Pékin, « la formation et la croissance de dendrites seront retardées si la stabilité et l'uniformité des interfaces entre les électrolytes et l'électrode de lithium sont améliorées ».

Qiang a également mentionné des stratégies conventionnelles pour modifier l'interface en utilisant des additifs électrolytiques, électrolytes hybrides, électrolytes polymères, et des couches protectrices. 'En réalité, un travail très récent rapporté par le groupe du Dr Yi Cui de l'Université de Stanford a illustré que le revêtement d'anodes métalliques de lithium avec une monocouche de nanosphères de carbone creuses amorphes interconnectées peut isoler les dépôts de lithium métallique et stabiliser l'interphase d'électrolyte solide, qui est une stratégie prometteuse pour s'attaquer aux problèmes de dendrite des anodes métalliques. Si les nanostructures des anodes métalliques sont bien conçues, le comportement de croissance du lithium déposé sera délibérément contrôlé. Qiang a déclaré à phys.org.

Ici, une nouvelle anode nanostructurée tridimensionnelle (3D) avec du lithium métallique contenu dans un Li7B fibreux 6 matrice a été proposée pour retarder la croissance des dendrites. Une telle anode nanostructurée a présenté une durée de vie en cyclage sans précédent et une efficacité coulombique élevée au-delà de la plaque de lithium métal.

« La caractéristique la plus impressionnante de l'anode est la nanostructure fibreuse de Li 7 B 6 échafaud, ' Xin-Bing Cheng, un étudiant diplômé et le premier auteur, expliqué. « Le dépôt de lithium est auto-limité à l'échelle nanométrique en raison de la taille très réduite de Li 7 B 6 nanofibres au-delà des feuilles de lithium. Ainsi, la formation de dendrites de lithium à grande échelle est évitée. Cette propriété auto-limitée favorable est principalement attribuée au taux de dépôt limité de lithium.

La vitesse de dépôt du lithium dépend fortement de la taille spécifique des substrats, qui dans ce cas sont progressivement développés des dépôts de lithium et Li inerte constant 7 B 6 nanofibres. Une fois le dépôt de lithium initié, il croît en continu car le dépôt initial de lithium a une petite taille qui détient une forte intensité de champ électrique, favorisant ainsi l'adsorption et le dépôt des ions lithium. Lorsque la taille du dépôt de lithium augmente continuellement jusqu'à celle de la matrice, la capacité des dépôts à adsorber les ions lithium sera inférieure à celle du Li 7 B 6 les fibres puis les ions lithium ont tendance à se déposer sur la matrice plutôt que sur les dendrites.

'Par conséquent, l'anode nanostructurée réduit non seulement la densité de courant surfacique, ce qui diminue la vitesse de croissance des gisements de lithium, mais limite également la taille finale du lithium déposé, ce qui conduit à la morphologie sans dendrite à l'échelle macro.' dit Xin-Bing.

En outre, l'anode nanostructurée présente d'autres avantages. Par exemple, il offre également suffisamment d'espace pour loger l'électrolyte et ainsi stabiliser la concentration en ions lithium, qui bénéficie également d'une propriété sans dendrite. Le Li 7 B 6 les fibres sont mécaniquement suffisamment rigides pour maintenir leur structure. Lorsque l'anode nanostructurée a été assemblée avec une cathode de soufre, la durée de vie en vélo a été considérablement augmentée à 2000 cycles, bien au-delà de l'anode en feuille de lithium à plaque de routine. Les résultats détaillés ont été publiés sous forme de communication rapide dans Petit .

« La conception architecturale rationnelle de l'anode métallique est une méthode efficace pour régler le comportement de croissance du métal déposé. » comme l'a souligné le Dr Zhang, « des anodes métalliques sans dendrite plus avancées basées sur des nanostructures conçues pour satisfaire la demande de batteries fonctionnelles vont être explorées. »