Récemment, chercheurs de l'Université Tsinghua, La Chine a proposé une anode au lithium métal nanostructurée à base de graphène pour les batteries au lithium métal afin d'inhiber la croissance des dendrites et d'améliorer les performances électrochimiques. Ils rapportent leurs conclusions dans Matériaux avancés , publié le 16 mars 2016.

« Les batteries lithium-ion largement utilisées ne peuvent pas répondre aux exigences croissantes des systèmes de stockage d'énergie dans les véhicules électroniques portables et électriques. Nouvelles batteries à anode métallique au lithium, comme les batteries Li-S et Li-air, sont très recherchés. Le lithium métal offre une capacité spécifique théorique extrêmement élevée, qui est presque 10 fois plus énergétique que le graphite, " a déclaré le professeur Qiang Zhang, au Département de génie chimique, Université de Tsinghua. "Toutefois, les applications pratiques des métaux lithium sont fortement entravées par la croissance des dendrites de lithium en cycles continus. Cela induit des problèmes de sécurité. Les dendrites de lithium peuvent provoquer des courts-circuits internes entraînant un incendie. Par ailleurs, la formation de dendrites de lithium induit une très faible efficacité de cyclage." La croissance des dendrites et l'interphase instable de l'électrolyte solide consomment une grande quantité de lithium et d'électrolyte, et donc conduisant à des pertes irréversibles de capacité de la batterie. Par conséquent, l'inhibition de la croissance des dendrites est fortement attendue.

De nombreuses approches ont été proposées pour retarder la croissance des dendrites par modification électrolytique, couches d'interphase d'électrolyte solide artificiel, construction d'électrodes, et d'autres. "Nous avons remarqué qu'en diminuant fortement la densité de courant local, la croissance des dendrites de lithium pourrait être efficacement inhibée. Sur la base de ce concept, nous avons utilisé du graphène non empilé avec une surface spécifique ultra-élevée pour construire une anode nanostructurée. Et cela s'est avéré être une idée très efficace, " dit Rui Zhang, un doctorat étudiant et premier auteur. "En outre, nous avons utilisé l'électrolyte à double sel pour acquérir une interphase d'électrolyte solide plus stable et plus flexible, qui peut protéger le lithium métallique de réactions ultérieures avec l'électrolyte."

Cette anode à base de graphène a offert une grande amélioration, y compris (1) densité de courant local ultra-faible à la surface de l'anode en graphène (un dix-millième de celle des anodes de routine à base de feuille de Cu) induite par la grande surface spécifique de 1666 m ² g ^-1 , qui a inhibé la croissance des dendrites et apporté une morphologie de dépôt de lithium uniforme ; (2) haute capacité de cyclage stable de 4,0 mAh mg ^-1 induite par le volume poreux élevé (1,65 cm ³ g ^-1 ) de graphène non empilé, plus de 10 fois l'anode en graphite dans les batteries lithium-ion (0,372 mAh mg ^-1 ); (3) haute conductivité électrique (435 S cm ^-1 ), conduisant à une faible impédance d'interface, performances de charge/décharge stables, et des rendements de cycle élevés.

"Nous espérons que nos recherches pourront mettre en évidence une nouvelle stratégie pour faire face au défi des dendrites dans les anodes métalliques au lithium. La densité de courant local ultra-faible induite par les anodes nanostructurées conductrices avec une surface spécifique élevée peut aider à améliorer la stabilité et les performances électrochimiques des anodes métalliques au lithium , " dit Xin-Bing Cheng, un co-auteur de l'ouvrage. Des recherches futures sont nécessaires pour concevoir des structures d'anode préférables et pour produire des couches d'interphase d'électrolyte solide plus protectrices. Les chercheurs demandent également une étude supplémentaire du comportement de diffusion des ions Li et des électrons dans le processus de dépôt et de décapage du lithium afin de faire progresser les applications commerciales des anodes métalliques au lithium.