Los ánodos de grafito se han utilizado ampliamente para baterías de iones de litio (LIB) durante las últimas dos décadas. El reemplazo del litio metálico por grafito permite un funcionamiento seguro y altamente eficiente de LIBs, sin embargo, sacrificando significativamente la capacidad específica y la densidad energética. De hecho, como el "Santo Grial" de las baterías de litio, Los ánodos de metal de litio exhiben una capacidad específica teórica muy alta de 3860 mAh g −1 y el potencial redox negativo más bajo de −3.040 V frente al electrodo de hidrógeno estándar. Sin embargo, las dendritas de litio que se forman y alargan durante el ciclo pueden perforar el separador de polímero, resultando en un cortocircuito y la consiguiente fuga térmica de la batería.
`` Las dendritas son inducidas principalmente por una distribución no homogénea tanto de la densidad de corriente en el ánodo de litio como del gradiente de concentración de iones de litio en la interfaz electrolito / electrodo, ', explicó el Dr. Qiang Zhang del Departamento de Ingeniería Química, Universidad de Tsinghua en Beijing, "La formación y el crecimiento de las dendritas se retrasarán si se mejoran la estabilidad y uniformidad de las interfaces entre los electrolitos y el electrodo de litio".
Qiang también mencionó estrategias convencionales para modificar la interfaz mediante el empleo de aditivos de electrolitos, electrolitos híbridos, electrolitos de polímero, y capas protectoras. 'De hecho, un trabajo muy reciente informado por el grupo del Dr. Yi Cui de la Universidad de Stanford ilustró que recubrir los ánodos de metal de litio con una monocapa de nanoesferas de carbono hueco amorfas interconectadas puede aislar los depósitos de metal de litio y estabilizar la interfase de electrolitos sólidos, que es una estrategia prometedora para abordar los problemas de dendrita de los ánodos metálicos. Si las nanoestructuras de los ánodos metálicos están bien diseñadas, el comportamiento de crecimiento del litio depositado se controlará deliberadamente ». Qiang le dijo a phys.org.
Aquí en, un nuevo ánodo nanoestructurado tridimensional (3D) con litio metálico contenido en un Li7B fibroso 6 Se propuso la matriz para retardar el crecimiento dendrítico. Un ánodo nanoestructurado de este tipo exhibía una vida útil cíclica sin precedentes y una alta eficiencia culómbica más allá de la placa de metal de litio.
'La característica más impresionante del ánodo es la nanoestructura fibrosa de Li 7 B 6 andamio, 'Xin-Bing Cheng, un estudiante de posgrado y el primer autor, explicado. 'La deposición de litio es autolimitada en nanoescala debido al tamaño muy reducido de Li 7 B 6 nanofibras más allá de las láminas de litio. Por lo tanto, Se evita la formación de dendritas de litio a macroescala. Esta favorable propiedad autolimitada se atribuye principalmente a una tasa de depósito limitada de litio '.
La tasa de depósito de litio depende en gran medida del tamaño específico de los sustratos, que en este caso son depósitos de litio gradualmente crecidos y Li inerte constante 7 B 6 nanofibras. Una vez que se inicia la deposición de litio, crece continuamente porque el depósito inicial de litio tiene un tamaño pequeño que tiene una fuerte fuerza de campo eléctrico, favoreciendo así la adsorción y deposición de iones de litio. Cuando el tamaño del depósito de litio aumenta continuamente al de la matriz, la capacidad de los depósitos para adsorber iones de litio será menor que la del Li 7 B 6 las fibras y luego los iones de litio tienden a depositarse en la matriz más que en las dendritas.
'Como consecuencia, el ánodo nanoestructurado no solo reduce la densidad de corriente del área, que reduce la velocidad de crecimiento de los depósitos de litio, pero también limita el tamaño final del litio depositado, lo que conduce a la morfología libre de dendrita a macroescala ». Xin-Bing dijo.
Adicionalmente, el ánodo nanoestructurado tiene otras ventajas. Por ejemplo, también proporciona suficiente espacio para acomodar el electrolito y así estabilizar la concentración de iones de litio, que también beneficia a una propiedad libre de dendrita. El Li 7 B 6 las fibras son mecánicamente lo suficientemente rígidas para sostener su estructura. Cuando el ánodo nanoestructurado se ensambló con cátodo de azufre, la vida del ciclo se incrementó drásticamente a 2000 ciclos, mucho más allá del ánodo de lámina de litio de placa de rutina. Los hallazgos detallados se publicaron como una comunicación rápida en Pequeña .
"El diseño arquitectónico racional del ánodo metálico es un método eficaz para ajustar el comportamiento de crecimiento del metal depositado". como señaló el Dr. Zhang, "Se explorarán ánodos metálicos sin dendrita más avanzados basados en nanoestructuras diseñadas para satisfacer la demanda de baterías que funcionan".
