Cercetătorii din China dezvoltă un anod din aliaj de Mg-Li-Cu pentru bateriile cu litiu metal

O echipă de cercetători din China a folosit un aliaj Mg-Li-Cu înalt litiofil pentru a stabiliza un anod metalic Li. Datorită delocalizării electronilor pe litiul depus, îmbunătățită prin autodifuziunea Cu în aliajul Mg-Li, creșterea dendritelor de litiu poate fi inhibată de aliajul Mg-Li-Cu. Mai mult, reacțiile parazitare cu electrolitul pot fi evitate prin anodul din aliaj Mg-Li-Cu.

Într-o lucrare cu acces deschis din Journal of Magnesium and Alloys , echipa a raportat că durata de viață simetrică a bateriei electrozilor din aliaj de Mg-Li-Cu depășește 9000 de ore la 1 mA cm ^-2 și 1 mAh cm ^-2 . Celula plină (LiFePO4 || Mg-Li-Cu) prezintă o capacitate specifică de 148,2 mAh g ^-1 , cu o capacitate de reținere de 96,4%, la 1 C după 500 de cicluri.

Configurația de adsorbție (a, c) și diferența de densitate de sarcină grafică (b, d) a Li pe suprafața Mg-Li (110) (a, b) și respectiv Mg-Li-Cu (110) suprafața (c, d), . Zonele de acumulare de sarcină sunt afișate cu galben, în timp ce epuizarea este afișată în albastru deschis. Ilustrare schematică a comportamentului depunerii de Li pe (e) Li nu, (f) Mg-Li și respectiv (g) Mg-Li-Cu. Li şi colab.

Anodul de aliaj Mg-Li-Cu prezintă câteva caracteristici cheie:

1. Afinitate ridicată pentru litiu: Anodul are o mare afinitate pentru litiu, ceea ce înseamnă că are o tendință puternică de a se lega de ioni de litiu. Aceasta facilitează depunerea uniformă a litiului pe suprafața anodului și reduce formarea dendritelor (structuri cristaline nedorite care pot duce la scurtcircuite în baterii).
2. Auto-difuzie a cuprului: Cuprul din aliajul Mg-Li-Cu se deplasează în mod activ în timpul funcționării bateriei. Acest fenomen îmbunătățește delocalizarea electronilor pe suprafața anodului, ceea ce contribuie la inhibarea creșterii dendritelor de litiu.
3. Evitarea reacțiilor parazite: Anodul de aliaj Mg-Li-Cu ajută la prevenirea reacțiilor nedorite între litiu și electrolit. Acest lucru contribuie la stabilitatea și durabilitatea bateriei.

Rezultatele experimentale arată că durata de viață simetrică a bateriilor cu electrozi din aliaj Mg-Li-Cu depășește 9000 de ore la o densitate de curent de 1 mA/cm² și o capacitate de 1 mAh/cm². Celula completă (cu un catod LiFePO4) prezintă o capacitate specifică de 148,2 mAh/g, cu o retenție a capacității de 96,4% după 500 de cicluri la o rată de descărcare de 1 C.+

Auto-difuzia cuprului în aliajul Mg-Li-Cu este un proces prin care atomii de cupru se mișcă în mod activ în materialul anodului în timpul funcționării bateriei. Acest fenomen are un impact semnificativ asupra performanței bateriei și contribuie la inhibarea creșterii dendritelor de litiu.

Iată cum funcționează:

1. Delocalizarea electronilor: Atunci când curentul electric trece prin anodul de aliaj Mg-Li-Cu, electronii sunt implicați în reacții electrochimice. Cuprul din aliaj are o afinitate mai mare pentru electroni decât litiul. Prin urmare, electronii se deplasează în mod preferențial către atomii de cupru, creând o delocalizare a electronilor pe suprafața anodului.
2. Mișcarea atomilor de cupru: Atomii de cupru se deplasează în interiorul aliajului, de la zonele cu o concentrație mai mare de cupru către cele cu o concentrație mai mică. Acest proces este cunoscut sub numele de auto-difuzie. Auto-difuzia cuprului este posibilă datorită energiei termice și a gradientului de concentrație.
3. Inhibarea creșterii dendritelor: Dendritele de litiu sunt structuri cristaline care pot crește în mod necontrolat pe suprafața anodului și pot duce la scurtcircuite în baterie. Mișcarea activă a atomilor de cupru în aliajul Mg-Li-Cu împiedică formarea acestor dendrite. Cu cât auto-difuzia cuprului este mai eficientă, cu atât mai bine este inhibată creșterea dendritelor.+

Auto-difuzia cuprului joacă un rol crucial în durabilitatea anodurilor de aliaj Mg-Li-Cu pe termen lung. Iată cum:

1. Inhibarea creșterii dendritelor: Auto-difuzia cuprului împiedică formarea dendritelor de litiu pe suprafața anodului. Dendritele sunt structuri cristaline nedorite care pot crește în timp și provoca scurtcircuite în baterie. Cu cât auto-difuzia cuprului este mai eficientă, cu atât mai bine este inhibată creșterea dendritelor.
2. Uniformitatea depunerii de litiu: Auto-difuzia cuprului contribuie la o distribuție uniformă a ioniților de litiu pe suprafața anodului. Aceasta previne acumularea excesivă de litiu în anumite zone și asigură o funcționare stabilă a bateriei pe termen lung.
3. Repararea defectelor: Auto-difuzia cuprului poate ajuta la repararea microdefectelor sau fisurilor care apar în timp în structura anodului. Aceasta menține integritatea materialului și prelungește durata de viață a bateriei.