New electrolyte design for lithium metal anodes and lithium metal batteries
20/10/22-FR-English-NL-footer
Nouvelle conception d'électrolyte pour les anodes au lithium métal et les batteries au lithium métal
Image- Tsinghua University Press
Avec la demande croissante de véhicules électriques, le besoin de batteries à haute sécurité et longue durée augmente également. Pourtant, la demande des véhicules électriques en batteries à haute densité d'énergie dépasse les capacités des batteries lithium-ion actuelles. Les scientifiques cherchent à développer des batteries au lithium métal avec du lithium métal comme anode car ces batteries ont une capacité de charge beaucoup plus élevée. Cependant, les batteries au lithium-métal présentent des problèmes de sécurité car des dendrites, des microstructures métalliques pointues, se forment pendant le processus de charge.
Une équipe de chercheurs chinois a entrepris de résoudre le problème de la formation de dendrites de lithium et de construire des batteries au lithium métal à haute sécurité et longue durée de vie. L'équipe a réussi à concevoir un électrolyte qui supprime la formation des dendrites. Cet électrolyte offre d'excellentes performances dans les batteries au lithium métal et offre des solutions dans la recherche pour la construction de batteries au lithium métal à haute sécurité et longue durée de vie.
Alors que les anodes au lithium métal présentent un grand potentiel pour les batteries de stockage à haute énergie, la croissance incontrôlable des dendrites au lithium soulève des inquiétudes importantes. La croissance des dendrites se produit lorsque les ions lithium se déplacent et se convertissent en un emplacement spécifique sur la surface du lithium métallique. Les dendrites entraînent une faible efficacité de cyclage dans la batterie et constituent un grave problème de sécurité.
L'équipe s'est attaquée au problème des dendrites en combinant les avantages des électrolytes conventionnels et des électrolytes à haute concentration. Les électrolytes à haute concentration surmontent certaines des lacunes des électrolytes conventionnels et sont très prometteurs pour une utilisation dans les batteries de nouvelle génération. L'électrolyte créé par l'équipe offre d'excellentes performances électrochimiques dans les batteries au lithium métal et supprime la formation de dendrites. "Sa structure unique favorise non seulement la conversion uniforme des ions à la surface de l'électrode, mais assure également le mouvement rapide des ions dans l'électrolyte", a déclaré Chunpeng Yang, professeur à l'Université de Tianjin.
Les chercheurs ont commencé leurs travaux en exécutant des simulations numériques pour explorer l'effet d'un revêtement chargé négativement pour induire l'électrolyte à haute concentration interfaciale. Ensuite, en tant que matériau de preuve de concept, les chercheurs ont enduit des nanofeuilles de carbone dopées à l'azote et à l'oxygène, qui ont des charges négatives de surface, avec de la mousse de nickel pour créer l'électrode. Les ions lithium chargés positivement sont concentrés près de l'électrode de carbone dopée à l'azote et à l'oxygène recouverte de nickel. Cette concentration d'ions lithium favorise les réactions de transfert de charge sur l'électrode contribuant à des performances de cyclage électrochimique exceptionnelles. Les chercheurs ont effectué des tests en demi-cellule et en cellule complète sur l'électrode avec d'excellents résultats. Leur électrode est beaucoup plus performante que les autres électrodes à base de mousse de nickel pur.
"Cela fournit un principe simple pour supprimer les dendrites de lithium en tenant compte simultanément des avantages de l'électrolyte conventionnel et de l'électrolyte à haute concentration pour l'anode métallique Li stable, qui peut être appliqué à d'autres substrats pour les batteries métalliques pratiques", a déclaré Yang.
Au-delà du revêtement de matériaux chargés négativement en surface sur l'électrode pour guider la formation d'électrolytes interfaciaux à haute concentration, l'équipe prévoit de rechercher d'autres moyens d'obtenir cette structure d'électrolyte unique comme moyen d'obtenir des batteries hautes performances. Les chercheurs espèrent parvenir à l'application commerciale des batteries Li métal à haute densité d'énergie, haute sécurité et longue durée de vie, en optimisant systématiquement les composants de la batterie. "Les résultats de notre étude pourraient être étendus à davantage de systèmes de batteries métalliques, tels que les batteries métalliques au sodium, au zinc et au magnésium, ce qui contribuera à la réalisation d'un stockage d'énergie à grande échelle pour un approvisionnement énergétique durable", a déclaré Yang.
L'équipe de recherche comprend Haotian Lu, Feifei Wang et Lu Wang de l'Université de Tianjin, du Laboratoire Haihe des transformations chimiques durables et de l'Université nationale de Singapour ; Chunpeng Yang, de l'Université de Tianjin et du Laboratoire Haihe des transformations chimiques durables ; Jinghong Zhou, de l'Université des sciences et technologies de l'Est de la Chine ; Wei Chen, de l'Université nationale de Singapour ; et Quan-Hong Yang de l'Université de Tianjin et du Laboratoire Haihe des transformations chimiques durables.
Cette recherche est financée par le National Key Research and Development Program of China, le Haihe Laboratory of Sustainable Chemical Transformations et les Fundamental Research Funds for the Central Universities.
NJC.© Info Tsinghua University Press
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20/10/22-English
New electrolyte design for lithium metal anodes and lithium metal batteries
Image- Tsinghua University Press
With the growing demand for electric vehicles, the need for high-safety, long-life batteries also rises. Yet the electric vehicles’ demand for high energy density batteries outpaces the capabilities of the current lithium-ion batteries. Scientists are looking to develop lithium metal batteries with lithium metal as the anode because these batteries have a much higher charging capacity. However, there are safety issues with lithium-metal batteries because dendrites—spiky, metallic microstructures—form during the charging process.
A team of Chinese researchers set out to solve the problem of the lithium dendrite formation and to build high-safety, long-life lithium metal batteries. The team has successfully designed an electrolyte that suppresses the formation of the dendrites. This electrolyte delivers excellent performance in lithium metal batteries and offers solutions in the research toward building high-safety, long-life lithium metal batteries.
While lithium metal anodes hold great potential for high-energy storage batteries, the uncontrollable lithium dendrite growth raises significant concerns. The dendrite growth occurs when the lithium ions move and convert to one specific location on the lithium metal surface. The dendrites cause poor cycling efficiency in the battery and are a severe safety issue.
The team tackled the dendrite problem by combining the advantages of conventional electrolytes and high-concentration electrolytes. The high-concentration electrolytes overcome some of the shortcomings of conventional electrolytes, and hold strong promise for use in next-generation batteries. The electrolyte the team created delivers excellent electrochemical performance in lithium metal batteries and suppresses formation of dendrites. “Its unique structure not only promotes the uniform conversion of ions on the electrode surface but also ensures the rapid movement of ions in the electrolyte,” said Chunpeng Yang, a professor at Tianjin University.
The researchers began their work by running numerical simulations to explore the effect of a negatively charged coating to induce the interfacial high-concentration electrolyte. Then as a proof-of-concept material, the researchers coated nitrogen- and oxygen-doped carbon nanosheets, that have surface negative charges, with nickel foam to create the electrode. The positively charged lithium ions are concentrated near the nitrogen- and oxygen-doped carbon electrode that is coated with nickel. This concentration of lithium ions promotes the charge transfer reactions on the electrode contribute to outstanding electrochemical cycling performances. The researchers conducted half-cell and full-cell tests on the electrode with excellent results. Their electrode performs much better than other electrodes based on pure nickel foam.
“This provides a simple principle for suppressing the lithium dendrites by simultaneously taking into account the advantages of conventional electrolyte and high-concentration electrolyte for stable Li metal anode, which may be applied to other substrates for practical metal batteries,” said Yang.
Beyond coating negatively surface-charged materials on the electrode to guide the formation of interfacial high-concentrated electrolytes, the team plans to look for other ways to obtain this unique electrolyte structure as means to achieving high-performance batteries. The researchers hope to achieve the commercial application of Li metal batteries with high energy density, high safety and long life, by systematically optimizing the battery components. “Our study results could be extended to more metal-battery systems, such as sodium, zinc and magnesium metal batteries, which will contribute to the realization of large-scale energy storage for sustainable energy supply,” said Yang
The research team includes Haotian Lu, Feifei Wang, and Lu Wang from Tianjin University, the Haihe Laboratory of Sustainable Chemical Transformations, and the National University of Singapore; Chunpeng Yang, from Tianjin University and the Haihe Laboratory of Sustainable Chemical Transformations; Jinghong Zhou, from East China University of Science and Technology; Wei Chen, from National University of Singapore; and Quan-Hong Yang from Tianjin University and the Haihe Laboratory of Sustainable Chemical Transformations.
This research is funded by the National Key Research and Development Program of China, the Haihe Laboratory of Sustainable Chemical Transformations, and the Fundamental Research Funds for the Central Universities.
NJC.© Info Tsinghua University Press
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20/10/22-NL
Nieuw elektrolytontwerp voor lithiummetaalanoden en lithiummetaalbatterijen
Image- Tsinghua University Press
Met de groeiende vraag naar elektrische voertuigen, neemt ook de behoefte aan zeer veilige batterijen met een lange levensduur toe. Toch overtreft de vraag van elektrische voertuigen naar batterijen met een hoge energiedichtheid de mogelijkheden van de huidige lithium-ionbatterijen. Wetenschappers zijn op zoek naar lithium-metaalbatterijen met lithiummetaal als anode omdat deze batterijen een veel hogere laadcapaciteit hebben. Er zijn echter veiligheidsproblemen met lithium-metaalbatterijen omdat dendrieten - stekelige, metalen microstructuren - zich vormen tijdens het laadproces.
Een team van Chinese onderzoekers wilde het probleem van de vorming van lithiumdendriet oplossen en hoogwaardige lithium-metaalbatterijen bouwen met een lange levensduur. Het team heeft met succes een elektrolyt ontworpen dat de vorming van dendrieten onderdrukt. Deze elektrolyt levert uitstekende prestaties in lithium-metaalbatterijen en biedt oplossingen in het onderzoek naar het bouwen van zeer veilige lithium-metaalbatterijen met een lange levensduur.
Hoewel lithiummetaalanoden een groot potentieel hebben voor energierijke opslagbatterijen, baart de oncontroleerbare groei van lithiumdendrieten grote zorgen. De dendrietgroei vindt plaats wanneer de lithiumionen bewegen en naar een specifieke locatie op het lithiummetaaloppervlak worden omgezet. De dendrieten veroorzaken een slechte cyclusefficiëntie in de batterij en vormen een ernstig veiligheidsprobleem.
Het team pakte het dendrietprobleem aan door de voordelen van conventionele elektrolyten en hooggeconcentreerde elektrolyten te combineren. De hooggeconcentreerde elektrolyten overwinnen enkele van de tekortkomingen van conventionele elektrolyten en zijn veelbelovend voor gebruik in batterijen van de volgende generatie. De elektrolyt die het team heeft gemaakt, levert uitstekende elektrochemische prestaties in lithium-metaalbatterijen en onderdrukt de vorming van dendrieten. "De unieke structuur bevordert niet alleen de uniforme omzetting van ionen op het elektrodeoppervlak, maar zorgt ook voor een snelle beweging van ionen in de elektrolyt", zegt Chunpeng Yang, een professor aan de Tianjin University.
De onderzoekers begonnen hun werk door numerieke simulaties uit te voeren om het effect te onderzoeken van een negatief geladen coating om het grensvlak-elektrolyt met hoge concentratie te induceren. Vervolgens als proof-of-concept materiaal, bekleedden de onderzoekers stikstof- en zuurstof-gedoteerde koolstof nanosheets, die oppervlaktenegatieve ladingen hebben, met nikkelschuim om de elektrode te creëren. De positief geladen lithiumionen zijn geconcentreerd nabij de met stikstof en zuurstof gedoteerde koolstofelektrode die is gecoat met nikkel. Deze concentratie van lithiumionen bevordert de ladingsoverdrachtsreacties op de elektrode en draagt bij aan uitstekende elektrochemische cyclusprestaties. De onderzoekers voerden halfcel- en volceltesten uit op de elektrode met uitstekende resultaten. Hun elektrode presteert veel beter dan andere elektroden op basis van puur nikkelschuim.
"Dit biedt een eenvoudig principe voor het onderdrukken van de lithiumdendrieten door tegelijkertijd rekening te houden met de voordelen van conventionele elektrolyt en hooggeconcentreerde elektrolyt voor stabiele Li-metaalanode, die kan worden toegepast op andere substraten voor praktische metaalbatterijen", zei Yang.
Naast het coaten van negatief geladen materialen op de elektrode om de vorming van hooggeconcentreerde elektrolyten aan de grensvlakken te begeleiden, is het team van plan om andere manieren te zoeken om deze unieke elektrolytstructuur te verkrijgen als middel om hoogwaardige batterijen te bereiken. De onderzoekers hopen de commerciële toepassing van Li-metaalbatterijen met hoge energiedichtheid, hoge veiligheid en lange levensduur te bereiken door de batterijcomponenten systematisch te optimaliseren. "Onze onderzoeksresultaten kunnen worden uitgebreid naar meer metaal-batterijsystemen, zoals natrium-, zink- en magnesiummetaalbatterijen, die zullen bijdragen aan de realisatie van grootschalige energieopslag voor duurzame energievoorziening", zegt Yang.
Het onderzoeksteam omvat Haotian Lu, Feifei Wang en Lu Wang van de Tianjin University, het Haihe Laboratory of Sustainable Chemical Transformations en de National University of Singapore; Chunpeng Yang, van de Tianjin University en het Haihe Laboratory of Sustainable Chemical Transformations; Jinghong Zhou, van de East China University of Science and Technology; Wei Chen, van de Nationale Universiteit van Singapore; en Quan-Hong Yang van de Tianjin University en het Haihe Laboratory of Sustainable Chemical Transformations.
Dit onderzoek wordt gefinancierd door het National Key Research and Development Program van China, het Haihe Laboratory of Sustainable Chemical Transformations en de Fundamental Research Funds for the Central Universities.
NJC.© Info Tsinghua University Press
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