La batería de iones de litio (LIB) "Rock-chair" fue descubierta a fines de la década de 1970 y comercializada en 1991 por Sony. que se ha convertido en la forma principal en la que almacenamos energía portátil en la actualidad. Para honrar la contribución de "crear un mundo recargable, "el Premio Nobel de Química 2019 fue otorgado a tres científicos famosos, John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham, Akira Yoshino, quien hizo las contribuciones más importantes al descubrimiento de LIBs. Sin embargo, esta tecnología se está acercando a sus límites de rendimiento práctico y se están realizando grandes esfuerzos para reemplazar los LIB con nuevas soluciones de almacenamiento electroquímico, que son seguras, estable, de bajo costo y con mayor densidad de energía para alimentar vehículos eléctricos de largo alcance y dispositivos electrónicos portátiles de larga duración.

Reemplazo de los ánodos tradicionales a base de grafito con metal Li, un ánodo "sagrado" con una alta capacidad teórica de 3860 mAh / g, muestra un enfoque prometedor. En el presente, El ánodo de metal de litio tiene una eficiencia de ciclo deficiente y un cambio de volumen infinito, planteando preocupaciones de seguridad operacional. Esfuerzos efectivos, que incluyen aditivos de electrolitos funcionales, interfaces artificiales de electrolitos sólidos, y el uso de andamios de host para amortiguar la expansión del volumen, se han tomado para abordar sus desventajas. Entre estos, el método de uso de andamios continúa experimentando un rápido desarrollo.

Grafito, un ánodo de Li clásico, muestra una gran promesa como un andamio de host eficaz, que posee una baja densidad y alta conductividad electrónica. Sin embargo, Generalmente se acepta que el metal Li moja mal el grafito, provocando su dificultad de propagación e infiltración. Los métodos anteriores para transformar el grafito de litiofobicidad a litofilicidad incluyen el recubrimiento de superficies con Si, Ag u óxido metálico (litiofóbico indica un gran ángulo de contacto, mientras que litiófilo indica un ángulo de contacto bajo entre el litio fundido y la superficie sólida). Sin embargo, tal cambio en el comportamiento de esparcimiento del líquido se debe a la sustitución del grafito por revestimiento reactivo. Como consecuencia, Cabría preguntarse si el grafito es intrínsecamente litiofóbico o litiófilo.

Aquí en, Se estudió sistemáticamente el comportamiento de humectación del Li fundido en diferentes tipos de materiales de carbono a base de grafito. Primeramente, el grafito pirolítico altamente orientado (HOPG) se utilizó como muestra de prueba. Se observó que el sustrato de HOPG permite inmediatamente un ángulo de contacto (CA) de 73 ° con el metal Li. Para comparar este experimento con la teoría, La simulación de dinámica molecular ab initio se realizó con una gota de Li fundido (54 átomos de Li) / grafito (432 átomos de C, grafeno de dos capas) para demostrar que una superficie limpia (002) de grafito es intrínsecamente litiófila a 500K, y los resultados también confirmaron que el litio y el grafito tienen buena afinidad.

Sin embargo, el CA del metal Li sobre papel carbón poroso (PCP) es tan alto como 142 °, lo que indica que la PCP es litiofóbica. Este resultado, que contradecía la conclusión anterior de que el grafito es intrínsecamente litiófilo, llevó a los investigadores a comprender mejor el efecto de la química de la superficie en el rendimiento de humectación del metal Li y el grafito. Comparado con HOPG, Se encontró que la superficie de PCP tiene un gran número de grupos funcionales que contienen oxígeno. Estas impurezas de la superficie jugarán un papel clave en la fijación de la línea de contacto entre el metal Li y el PCP. resultando en un ángulo de contacto aparente más grande.

Para demostrar esta suposición, el PCP se litió primero al disminuir su potencial electroquímico con el metal Li fundido. Durante este proceso, también se eliminan las impurezas superficiales del PCP. El experimento muestra que el PCP litiado exhibió un pequeño CA de ~ 52 °, lo que indicó una transición exitosa de la litiofobicidad a la litofilicidad. Debido a la estructura porosa del PCP litiado, el metal de Li se difundió rápidamente. La simulación DFT reveló que el grafito litiado y el grafito poseían un rendimiento de humectación similar, demostrar la eliminación de las impurezas de la superficie sería la razón clave para esta transición del desempeño de humectación del PCP al PCP litiado. El polvo de grafito se usó adicionalmente para probar su humectabilidad con metal Li. Después de continuar mezclando, el polvo de grafito podría dispersarse uniformemente en la matriz de metal Li, confirmando además una propiedad litiófila del grafito. Aprovechando este descubrimiento, Se propuso un nuevo método de composición de grafito metálico de Li y se pueden producir ánodos compuestos de grafito de Li con un área grande a gran escala.

Este trabajo no solo estudia sistemáticamente la humectabilidad del metal Li y los materiales de carbono a base de grafito, pero también proporciona una idea novedosa para la construcción de materiales de ánodos compuestos de Li-carbono, que es útil para el desarrollo de baterías de metal de litio de alta energía.