In einer kürzlich im Open-Access-Journal veröffentlichten Studie Grenzen in der Energieforschunguntersuchten Forscher aus China verschiedene Faktoren, die die praktische Anwendbarkeit von Lithium (Li) in der Anode einer Li-Ionen-Batterie (LIB) beeinflussen.

Lernen: Kontrollierte Lithiumabscheidung. Bildnachweis: asharkyu/Shutterstock.com

Diese Übersicht konzentriert sich in erster Linie auf aktuelle Fortschritte bei der Auswahl, dem strukturellen Design und der Morphologie von Stromkollektoren, um das unkontrollierte Wachstum von Li-Dendriten zu unterdrücken, das Kurzschlüsse verursacht, und um große Volumenänderungen der Elektroden während des zyklischen Plattierens und Abstreifens aufzunehmen.

Das Design des Stromkollektors für die kontrollierte Li-Abscheidung hatte drei Aspekte, nämlich die Abscheidung auf Mikro-Nano-Strukturen, die Lithium-Abscheidung in Kohlenstoffnanoröhren (CNT) und die selektive Abscheidung, die durch Legierungen mit hoher Li-Affinität (lithiophil) gefördert wird.

Verwendung von Li in der Anode von LIBs

Eine typische LIB besteht aus vier Komponenten: einer Kathode, einem Elektrolyten, einer Anode und einem Separator. Bei der am häufigsten verwendeten LIB-Konfiguration basiert die Kathode auf Li; Da Li jedoch sehr flüchtig ist, besteht die Kathode normalerweise aus Li-Kobaltoxid.

Ebenso basiert die Anode üblicherweise auf Graphit (C) oder Silizium (Si). Graphit fungiert als Wirt für Li-Ionen während der Interkalation/Deinterkalation, dh beim Laden/Entladen. Allerdings sind Li-basierte Anoden aufgrund des niedrigen Redoxpotentials und der hohen theoretischen Kapazität auch eine praktikable Option, insbesondere für Li-Schwefel (Li-S), Li-Sauerstoff (O₂) (Li-O₂) und Festkörper-LIBs (dh keine Elektrolyte).

Die Hauptprobleme bei Li-basierten Anoden sind das unkontrollierte Wachstum von Li-Dendriten, die Nebenreaktionen fördern und den Separator aufspießen, um einen Kurzschluss zu verursachen. Die Schlüsselaspekte einer vielversprechenden Lösung hierfür sind die Kontrolle des Li-Keimbildungsorts, der Li-Dendritenwachstumsrichtung und der Oberflächenmorphologie des abgeschiedenen Li. Darüber hinaus kann die kontrollierte Abscheidung von Li-Metall realisiert werden, indem die Stromkollektoren (CCs) entworfen, der Elektrolyt optimiert, Festelektrolyte verwendet und künstliche Festelektrolyt-Grenzflächenschichten (SEI) erzeugt werden.

Der herkömmliche Flüssigelektrolyt kann durch Festelektrolyte mit verbesserten mechanischen Eigenschaften oder Gelelektrolyte mit hoher Ionenleitfähigkeit ersetzt werden. Um das Wachstum von Li-Dendriten zu hemmen und eine stabile SEI-Schicht zu bilden, können dem Elektrolyten in ähnlicher Weise mehrere Zusatzstoffe zugesetzt werden, d. h. Linoleum₃ und Vinylencarbonat (VC). Um die Nebenreaktion zu hemmen, können viele organische und anorganische Verbindungen in die Anode eingebaut werden. Dies sind LiF, Li₃N, Al₂Ö₃und Poly(vinylidendifluorid) (PVDF).

Aktuelle Fortschritte bei der Gestaltung von CCs

Poröse CCs können aus den folgenden Gründen das unkontrollierte Wachstum der Li-Dendriten hemmen. Ihre unebene Oberflächenmorphologie kann verwendet werden, um die Verteilung des elektrischen Felds zusammen mit der Grenzfläche von CC und Elektrolyt zu regulieren, und die lokale Stromdichte kann reguliert werden, indem der Li-Ionen-Konzentrationsgradient von der Oberfläche zu den Tiefen der Poren gesteuert wird.

Daher ist die richtige Kontrolle über Mikro- und Nanoporen auf dem CC entscheidend. Zusätzlich kann Li selbst eine poröse Struktur haben, um eine kontrollierte Abscheidung zu erleichtern. Poröse 3D-CCs sind ebenfalls potenzielle Kandidaten. Die vorstehenden Spitzen von Kupfer(Cu)-Nanofasern in einer 3D-Cu-Folie können als Nukleationsstellen dienen. Neben Cu-Folien haben auch Titan (Ti), Nickel (Ni), C und ihre Verbundhüllen vielversprechende Ergebnisse gezeigt.

Die lithiophilen Materialien reduzieren das Keimbildungsbarrierenpotential für die heterogene Keimbildung von Lithium, was die Energieumwandlungseffizienz des CC erhöht. Sie dienen zwei Zwecken. Erstens ziehen die polaren funktionellen Gruppen auf ihrer Oberfläche Li-Ionen an und zweitens reagieren die reaktiven Substrate elektrochemisch mit Li, wodurch die Li-Plattierungsrate erhöht wird. Die C-basierten reaktiven Substrate bilden Li_xC₆, wohingegen Substrate auf Metall- oder Nichtmetallbasis LiX auf den Metallverbindungen bilden. Einige dieser reaktiven Metallsubstrate sind ZnO, CuO, CuF₂NiF₂Cu₃P und CuN.

Darüber hinaus zeigen polare funktionelle Gruppen wie –NH und –C=O eine höhere Bindungsenergie an Li-Ionen als Cu und Li selbst. Somit absorbieren sie eine beträchtliche Menge an Li-Ionen, was die elektrostatische Wechselwirkung zwischen Vorsprüngen von CC und Li-Ionen verringert. Der Gehalt an polaren funktionellen Gruppen und lithiophilen Metalloxiden sollte jedoch optimiert werden, um eine schlechte elektronische Leitfähigkeit des CC zu verhindern. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, CNT-Schwämme, versilbertes Kohlefaserpapier oder CNT-Hohlräume für die Li-Abscheidung zu verwenden. Sie können das Problem der schlechten elektronischen Leitfähigkeit im Zusammenhang mit lithiophilen Metalloxiden lindern.

Schlussfolgerungen

Abschließend präsentierten die Forscher einen Überblick über den aktuellen wissenschaftlichen Fortschritt bei der kontrollierten Li-Abscheidung auf dem CC/der Anode einer LIB. Die effektive Kontrolle der Li-Interkalation/Deinterkalation auf Graphit- und Silikon-CC oder der Li-Plattierung/Stripping auf Metall- und Nichtmetall-CC ist der kritischste Faktor, um das unkontrollierte Wachstum von Li-Dendriten zu verhindern und elektrostatische Nebenreaktionen zu verhindern.

Lithiophile Metalloxide, CNT-basierte Komposite und Materialien mit polaren funktionellen Gruppen mit poröser 3D-Mikro-/Nanostruktur sind derzeit die besten praktikablen Lösungen dafür.

Quelle

Zhang, S., Yang., G., Li, X., Li, Y., Wang, Z., Chen, L., Controlled Lithium Deposition, Grenzen in der Energieforschung2022, 10, 837071. https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fenrg.2022.837071/full

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