Graphenoxid-Nanoblätter könnten dazu beitragen, Lithium-Metall-Batterien auf den Markt zu bringen

Anonim

Lithium-Metall-Batterien, die bis zu zehn Mal mehr Ladung aufnehmen können als die Lithium-Ionen-Batterien, die derzeit unsere Telefone, Laptops und Autos versorgen, wurden wegen eines fatalen Fehlers nicht kommerzialisiert: Da sich diese Batterien aufladen und entladen, ist Lithium ungleichmäßig auf den Elektroden abgeschieden. Diese Ansammlung verkürzt die Lebensdauer dieser Batterien zu kurz, um sie lebensfähig zu machen, und, noch wichtiger, kann dazu führen, dass die Batterien kurzgeschlossen werden und Feuer fangen.

Jetzt haben Forscher der Universität von Illinois in Chicago eine Lösung für dieses Problem in Form einer mit einem Graphenoxid beschichteten "Nanoschicht" entwickelt, die, wenn sie zwischen die beiden Elektroden einer Lithium-Metall-Batterie eingesetzt wird, eine ungleichmäßige Abscheidung von Lithium verhindert und ermöglicht der Batterie, für Hunderte von Lade- / Entladezyklen sicher zu funktionieren. Sie berichten ihre Ergebnisse in der Fachzeitschrift Advanced Functional Materials.

"Unsere Ergebnisse zeigen, dass zweidimensionale Materialien - in diesem Fall Graphenoxid - dazu beitragen können, die Lithiumablagerung so zu regulieren, dass die Lebensdauer von Lithium-Metall-Batterien verlängert wird", sagte Reza Shahbazian-Yassar, Professor für Maschinenbau und Industrietechnik in der UIC College of Engineering und korrespondierender Autor des Papiers.

Lithium-Metall-Batterien sind wegen ihrer hohen Energiedichte und relativ geringen Gewichte im Vergleich zu herkömmlichen Batterien so nützlich. Im Laufe vieler Lade-Entlade-Zyklen baut sich jedoch Lithium in einem Verzweigungs- oder "dendritischen" Muster ungleichmäßig auf der Lithium-Metall-Elektrode der Batterie auf und bewirkt schließlich, dass die Batterie leer wird. Wenn die Dendriten durch die Elektrolytlösung wachsen und in Kontakt mit der anderen Elektrode kommen, kann die Batterie ein katastrophales Ereignis erfahren - mit anderen Worten, eine Explosion oder ein Feuer.

Bei Lithium-Ionen-Batterien ist ein Separator im Elektrolyten angeordnet. Gewöhnlich aus einem porösen Polymer oder Glaskeramikfasern hergestellt, lässt der Separator Lithiumionen durch, während die anderen Komponenten blockiert bleiben, um elektrische Kurzschlüsse zu verhindern, die zu Bränden führen können.

Reza und Kollegen verwendeten einen modifizierten Separator in einer Lithium-Metall-Batterie, um den Fluss von Lithiumionen zu modulieren, um die Geschwindigkeit der Lithiumablagerung zu kontrollieren und zu sehen, ob sie die Bildung von Dendriten verhindern könnten. Sie sprühten einen Glasfaser-Separator mit Graphenoxid, wodurch sie eine sogenannte Nanofolie erzeugten.

Unter Verwendung von Rasterelektronenmikroskopie und anderen bildgebenden Verfahren zeigten die Forscher, dass, wenn die Nanofolie in einer Lithium-Metall-Batterie verwendet wurde, ein gleichmäßiger Lithiumfilm auf der Oberfläche der Lithiumelektrode gebildet wurde, was die Batteriefunktion tatsächlich verbessert und die Batterie viel sicherer macht Tara Foroozan, eine Studentin an der UIC College of Engineering und erste Autorin dieser Studie.

Molekulare Simulationen, die von einem Team von Forschern der Texas A & M University durchgeführt wurden, deuteten darauf hin, dass die Lithiumionen vorübergehend an das Graphenoxid gebunden werden und dann durch Bereiche nanoskopischer Defekte in der Schicht diffundieren. Dies verzögert den Durchtritt von Lithiumionen ausreichend, um die Bildung von dendritischen Lithiumablagerungen auf der Elektrode zu verhindern.

"Die Nanofolie verlangsamt den Durchgang von Lithiumionen so weit, dass die Lithiumionen auf der Oberfläche der Elektrode gleichmäßiger plattiert werden können, was die Lebensdauer der Batterie verlängert", sagte Reza.

Ergebnisse von Phasenfeld-Modellrechnungen unter der Leitung von Farzad Mashayek, Professor und Leiter des Maschinen- und Anlagenbaus am UIC College of Engineering und Autor des Artikels, zeigten, dass Graphenoxid auch das Wachstum von Lithiumdendriten mechanisch unterdrücken kann.

"Wir zeigen, dass zweidimensionale Graphenoxid-Materialien in der Lage sind, die Bildung von Dendriten zu behindern, indem sie die Geschwindigkeit der Lithiumionendiffusion verändern, wenn sie durch die Graphenoxidschichten hindurchgehen", sagte Shahbazian-Yassar. "Diese Methode hat ein sehr großes Potenzial für industrielle Anwendungen und Skalierbarkeit."

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