Les chercheurs ont proposé une anode métallique au lithium biphasée efficace et stable pour les batteries Li-S, contenant une interphase d'électrolyte solide induite par du polysulfure et un cadre de graphène nanostructuré à l'Université de Tsinghua, apparaissant dans ACS Nano .
Parmi les différents candidats batteries prometteurs à haute densité énergétique, batteries Li-S, avec une capacité théorique élevée de 1675 mAh g -1 (à base de soufre) et une densité énergétique de 2600 Wh kg -1 (basé sur le couple redox Li-S), sont hautement considérés. "La propriété supérieure incite à l'énorme potentiel des batteries Li-S dans l'électronique portable, véhicules électriques, et la récolte d'énergie renouvelable, " a déclaré le Dr Qiang Zhang, professeur agrégé au Département de génie chimique, Université de Tsinghua. "Malgré ces avantages, de nombreux obstacles restent à surmonter pour les applications pratiques des batteries Li-S, comme la faible conductivité du soufre, la navette des intermédiaires polysulfures à longue chaîne dans la cathode de soufre et les émissions de dendrite de Li dans l'anode de métal Li. Par rapport à la vaste recherche dans la cathode et l'électrolyte, Le métal Li dans l'anode a obtenu peu d'attentions."
La formation de dendrites Li est un problème majeur pour les batteries Li métal, y compris les batteries Li-S, ce qui conduit toujours à de sérieux problèmes de sécurité et à une faible efficacité coulombienne. Les dendrites Li sont parmi les problèmes les plus difficiles de l'anode en métal Li, cependant, ce n'est pas l'exclusif. Des chercheurs du Pacific Northwest National Laboratory ont découvert un nouveau mécanisme de défaillance des anodes en métal Li, que l'interphase poreuse de l'anode s'est développée vers l'intérieur vers le métal Li massif (frais), qui a évolué en une couche désordonnée et hautement résistive et, Donc, a entraîné une énorme résistance de transfert et une grande quantité de métal Li perdant le contact avec les électrons (Li mort) dans la couche inerte. Avant le court-circuit induit par les dendrites, l'impédance de la batterie a fortement augmenté et la durée de vie a été interrompue prématurément (Adv. Energy Mater. 2014, 1400993).
"Dans une cellule Li-S, ce phénomène est plus fréquent et plus grave, parce que les produits de soufre et de sulfure de lithium sont à la fois isolants ioniques et électroniques et l'effet de couplage croisé entraînera une forte diminution de la tension et de la densité d'énergie. Par conséquent, il est extrêmement important de concevoir une structure d'anode avec des canaux électroniques et ioniques souhaitables pour améliorer les propriétés de transfert et recycler le Li mort dans une cellule Li-S, " Qiang a déclaré à Phys.org.
Sur la base de ce concept, Xin Bing Cheng, un étudiant diplômé et le premier auteur, a proposé un cadre de graphène nanostructuré avec dépôt de Li pour être une anode métallique Li à haute efficacité et haute stabilité pour les batteries Li-S. Dans une configuration de routine d'anode en métal Li sans cadre de graphène, Les dendrites de Li poussaient facilement sur des substrats 2D de routine (comme une feuille de Cu). Comme la racine des dendrites peut recevoir l'électron facilement puis se dissoudre plus tôt, Les dendrites de Li se sont facilement fracturées et se sont détachées du substrat pour former du Li mort. S'il existe un cadre conducteur préexistant tel qu'une mousse de graphène autoportée, le Li déposé sera bien logé. La mousse de graphène autoportante offre plusieurs caractéristiques prometteuses en tant que sous-couche pour l'anode Li, comprenant (1) une surface relative plus grande que les substrats 2D pour abaisser la densité de courant de surface spécifique réelle et la possibilité de croissance de dendrites, (2) cadre interconnecté pour soutenir et recycler le Li mort, et (3) une bonne flexibilité pour maintenir la fluctuation de volume pendant l'incorporation/l'extraction répétée de Li.
"Nous espérons que la combinaison judicieuse de l'ingénierie nanométrique et de l'électrochimie peut aider à améliorer l'efficacité coulombienne et la conductivité ionique de l'anode en métal Li pour les applications des batteries Li-S, ", a déclaré Xin-Bing. Des recherches futures sont nécessaires pour étudier la diffusion des ions Li avant et après la traversée du SEI. Les résultats ont indiqué que l'ingénierie des électrodes interfaciales à l'échelle nanométrique pourrait être une stratégie prometteuse pour résoudre les problèmes intrinsèques des anodes en lithium métal et les concepts décrits ici jeter une nouvelle lumière vers les LMB à haute densité énergétique, tels que Li-S et Li-O
