Diagrama esquemático del comportamiento de nucleación y deposición de litio en una lámina de Cu, estructura de nanofibras de carbono con bajo nivel de dopaje con nitrógeno y estructura de nanofibras de carbono con alto nivel de dopaje con nitrógeno. Crédito:© Science China Press
Quan-Hong Yang de la Universidad de Tianjin y Wei Lv de la Escuela de Graduados en Shenzhen, La Universidad de Tsinghua con sus compañeros de trabajo informaron un peso ligero, Marco de nanofibras de carbono con dopaje de nitrógeno de alto nivel como colector de corriente para ánodos de metal de litio, lo que podría frenar el crecimiento de las dendritas y lograr la deposición uniforme de litio. Este trabajo fue publicado recientemente en Ciencia China Materiales .
El grupo de Yang y el grupo de Lv todavía se dedican a los materiales de carbono y sus aplicaciones en el almacenamiento de energía.
Los autores escriben, "A pesar de la alta densidad energética de las baterías de metal de litio, el crecimiento de dendrita intratable resultó en una baja eficiencia culómbica, los cortocircuitos internos e incluso los problemas peligrosos dificultan su uso práctico. Los materiales de carbono pueden desempeñar un papel importante en la solución de los problemas mencionados anteriormente, permitiendo la aplicación práctica de ánodos de metal de litio ".
Los investigadores se han esforzado por resolver el problema de las dendritas de litio. Las estructuras de armazón tridimensional conductora, como el colector de corriente de Cu poroso y el marco de grafeno 3-D, han atraído la atención porque pueden reducir la densidad de corriente local y adaptarse a grandes cambios de volumen durante el ciclo.
"A pesar de la excelente estabilidad de la estructura y la conductividad eléctrica superior, el colector de corriente de metal poroso es pesado, que comprende en gran medida la densidad de energía, "Yang dijo, "el marco de carbono poroso es ligero, que se beneficia de mejorar la densidad de energía en base a todo el dispositivo. Sin embargo, sus superficies no litiófilas no son ideales para la nucleación y deposición uniformes de litio ".
Los grupos funcionales que contienen nitrógeno en la superficie de la estructura de carbono pueden interactuar con los átomos de litio y mejorar la litofilia de la estructura de carbono. Usando poliacrilonitruro como materia prima, una matriz de nanofibras de carbono (NCNF) conductora 3-D liviana y con alto contenido de dopaje de nitrógeno se puede preparar fácilmente mediante electrohilado, Preoxidación y tratamiento térmico.
El uso de NCNF como colector de corriente tiene varias ventajas:
Estos resultaron en una excelente estabilidad cíclica con una alta eficiencia culómbica de más del 98 por ciento durante más de 250 ciclos para la deposición de litio. Es más, cuando se combina el ánodo Li @ NCNF con LiFePO4 para ensamblar la celda completa, Se mostraron polarización de voltaje reducida y retención de alta capacidad.
Yang dice:"Este trabajo demostró claramente las funciones importantes del dopaje de heteroátomos para la modificación de la superficie del carbono para realizar la deposición uniforme y libre de dendrita del ánodo metálico, y también mostró un gran potencial de NCNF de peso ligero para el uso en ánodos a base de metal con alta densidad de energía ".
