周光敏/邱玲 AFM: リチウムに優しい設計 + 3D プリントで 50C レートのリチウム金属電池を実現

出典: Top Journal Harvester 第一著者: Shuyan Ni、Jinzhi Sheng
連絡先著者: 周光民、邱玲連絡先部署: 清華大学深圳国際大学院

リチウム金属は、次世代の高エネルギー密度充電式電池の負極の究極の選択肢として大きな注目を集めています。しかし、制御不能なデンドライトの成長、死んだリチウムの形成、および Li 金属アノードの大きな体積変化は、短絡、火災、さらには爆発などの重大な安全上の危険につながる可能性があります。リチウムホスト材料の導入は、上記の問題を軽減するための優れた戦略となる可能性があります。グラフェン酸化物 (GO) フィルムは優れたリチウム親和性を備えており、これは合成プロセス中に均一な溶融リチウム注入を実現し、バッテリーサイクル中にリチウム核形成障壁を低くするために重要です。しかし、リチウムホストとして使用される完全に高密度の GO フィルムには多くの問題があります。金属リチウムは電極の上面に堆積して剥がれ落ちる傾向があり、堆積したリチウム金属は電解質の侵入とイオン輸送を妨げ、デンドライトの成長、SEI の破裂、内部電極表面の損失につながる可能性があります。興味深いことに、電極内のイオン輸送経路の曲がり具合が少なくなると、電解質内のリチウムイオン濃度勾配が低くなり、電極電流密度が均一になります。

実績紹介<br /> これを踏まえ、清華大学深圳国際大学院の周光民准教授と邱玲准教授らは、連続遠心鋳造法を用いて大面積の酸化グラフェン（GO）をリチウム金属のホストとして作製し、その後、3Dプリントテンプレートを用いて簡単なスタンピング法でその中に整列したマイクロチャネルを作製した。 GO マトリックスはリチウムのメッキ/剥離挙動を効果的に制御し、整列したチャネルはリチウムイオンの流れを均等に分散し、短いリチウムイオン拡散経路を提供します。一方、Li/多孔質GO複合材料は柔軟性があり、厚さを50～150μmの範囲で制御でき、容量は9.881～27.601mAhcm-2の範囲に相当します。

結果は、調製されたアノードが100時間のサイクル後の過電圧が30 mVと低く、容量が≈3538 mAh g-1（理論容量の91.4％）と高く、LiFePO4カソードと一致した場合、最大50 Cの速度で優れたサイクル性能を示すことを示しています。さらに、多孔質 GO/Li 電極は他のカソードと組み合わせてパウチセルにも使用され、さまざまな高エネルギー電池システムへの適用性が実証されました。

関連論文「安定したリチウム金属電池のための整列マイクロチャネルによって制御されるデンドライトフリーリチウム堆積および剥離」が Adv. Funct. Mater. に掲載されました。

研究ハイライト
1. リチウム親和性と構造設計を組み合わせることで、得られた電極は柔軟性があり、複数回折りたたんだり広げたりすることができ、厚さを制御できます。 GO 内に配置されたチャネルはリチウムイオンの流れを均等に分散し、拡散経路を短くすることができます。

2. 複合陽極は、過電圧が 30 mV 未満と低く、寿命が 400 時間以上と長いです。 LiFePO4カソードと組み合わせたバッテリーが組み立てられ、容量は93mAh g-1で、20Cの高レートで600回以上の長いサイクル寿命を実現しました。
3. LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2カソードと組み合わせると、容量は117.9mAh g-1となり、150サイクル後も安定した状態を保ちます。

グラフィカル分析<br /> 図 1. GO 緻密膜の作製と特性評価図 2. GO/Li 電極のリチウム堆積/剥離プロセス図 3. サイクリング中の分極テスト図 4. サイクリング前後の形態とインピーダンスの変化図 5. フルバッテリーテストShuyan Ni、Jinzhi Sheng、Chang Zhang、Xin Wu、Chuang Yang、Songfeng Pei、Runhua Gao、Wei Liu、Ling Qiu、*Guangmin Zhou*、Dendrite-Free Lithium Deposition and Stripping Regulated by Aligned Microchannels for Stable Lithium Metal Batteries、2022、https://doi.org/10.1002/adfm.202200682

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