リチウムデンドライトの問題はリチウム電池の開発に影響を及ぼし、電池の性能を急速に低下させる可能性があります

リチウム金属は、3860 MAH / gの比容量と高く、3.04 V（相対標準水素電極）の酸化還元電位と低くなっています。したがって、充電式リチウム金属電池は、高エネルギー二次充電式電池システムの中で最も可能性のあるものになります。しかし、リチウムデンドライトの問題はリチウム電池の開発に影響を及ぼし、暴走成長のリチウムデンドライトは電池の性能を急速に低下させ、電池の寿命を短くし、穴を開けても、電極間の膜は電池の短絡などのセキュリティ問題を引き起こします。

したがって、大きな電流密度、大きなエネルギー密度、長いサイクル条件で、リチウムデンドライトの成長を効果的に抑制する方法が重要な問題になります。このため、日本の工業技術研究院であるバイソンヤン博士と孫楊博士と南京大学教授の周ハウシェンは、新しいタイプのMOFである電解質を開発し、現在の大容量リチウムデンドライトの成長を抑制することができます。

研究のハイライト：

1.大電流密度、大エネルギー密度、長サイクルのMOFベースの電解質は、リチウムデンドライトの成長を効果的に抑制します。

2.計算を通じて、MOF TFSIの構造が証明されましたか？効果的なレギュレーションのイオンと均一なLi +イオン輸送を実現します。

TOC図

MOFベースの電解質は、通常の電解質mlitfsidol / DME（1）で、イオンふるいとしてMOF（HKUST）の規則正しい超微細細孔構造を使用して、陰陽のイオン輸送の効果的な制御を実装し、高いイオン移動係数と高いイオン伝導度を示します。 。通常の電気油圧トランスミッションの無秩序で陰と陽のイオンに比べて、不均一なリチウム堆積物を引き起こしますが、MOF構造は効率的なイオンチャネル、選択的な遅いTFSIを提供できますか？その中を通る陽イオンは、リチウムイオン輸送の均一な効果を達成するために、均一なリチウム堆積物を実現します。

図1はリチウムデンドライトの成長を抑制しました

陰と陽のイオン輸送作業のMOFチャネルメカニズムを説明するために、研究者たちは一連の理論計算を行いました。 2つの極端なケースでの密度汎関数理論（DFT）計算では、TFSI？エネルギー障壁のMOFチャネルによる水平（パス-I）または垂直（パス-II）の場合の陽イオン。 MOFフレーム、それらの間の剛体または緩和条件（FおよびF '）からベースの差は、それぞれ1.26EVおよび0.63EVです。関連する計算は、TFSIのMOFチャネルスペースの制約を示していますか？チャネル伝送の陽イオンには、選択的な遅延効果がありました。

図2DFT計算TFSI？エネルギー障壁の伝達におけるMOFの穴

分子動力学（MD）シミュレーションの結果は、MOF構造がTFSIに到達できることを証明していますか？均一なLi +イオン輸送を実現するための陰イオン効果調節。通常の電気油圧式mlitfsidol / DME（1）では、溶媒和プロセス、TFSI？陰イオンの全方位角シフトは、Li +イオンの溶媒和よりも高速です。 MOFベースの電解質では、MOFチャネルはTFSIを遅らせますか？その中の陰イオンは、Li +イオンの方位角シフトの広がりを速くします。

図3分子動力学シミュレーションにおける通常のDOL / DMEおよびMOFベースの電解質電解質のli +およびTFSI

通常の電気油圧トランスミッションの無秩序で陰と陽のイオンと比較して、不均一なリチウム堆積物を引き起こし、MOF構造は効率的なイオンチャネル、選択的遅延TFSIを提供できますか？その中を通る陽イオンは、リチウムイオン輸送の均一な効果を達成するために、均一なリチウム堆積物を実現します。

大電流密度（5 ma / cm2、ma / cm2）10 ma / cm2および10ケースで、それぞれ対称バッテリーテスト。MAH/ cm2（2.5 MAH / cm2、5および10 MAH / cm2）のエネルギー密度に対応します。対称バッテリーは長いサイクルタイムになる可能性があり、少なくとも800時間以上で短絡の明らかな兆候は発生しませんでした。

図4対称バッテリー性能におけるmofベースの電解質

SEM観察により、リチウム金属アノードのサイクル後のリチウムデンドライトの成長。従来の対称電解質バッテリーを使用して、10 MAH / cm2で、10 MAH / cm2の条件下で、短絡後120時間でバッテリー。最大10ミクロンのリチウムデンドライトピアスダイアフラムのリチウム金属アノード表面の成長は、短絡を引き起こします。しかし、MOFベースの電解質電池の使用では、リチウムデンドライトは明らかに状況の成長を阻害しました。ケースの条件下での3つの大電流密度では、明らかなリチウムデンドライトの成長はありませんでした。

図5異なる電流密度の下でのリチウム金属電極の表面形態の変化

電極材料として使用されているチタン酸リチウムは、大電流の条件下で検証され、リチウム電池のMOFベース電解質を使用しており、長サイクル性能の安定性も示すことができます。電流密度が7ma / cm2に達すると、チタン酸リチウム-2000回のループ後のリチウム電池、わずか7 MAH / cm2の容量損失。各ラップ容量の損失率は0.0025％と低くなっています。

図6リチウム電池のmofベースの電解質、電気化学的性能試験

一言で言えば、この研究は、リチウムカソード保護におけるMOFベースの電解質の役割を最初に報告し、リチウム電池のさらなる開発にとって重要な意味を持っています。さらに、この研究は、バッテリーシステムにおけるその潜在的な用途のMOF超微細孔構造も示しています。

BaiS、SunY、YiJ、etal.High-PowerLi-MetalAnodeEnabledbyMetal-OrganicFrameworkModifiedElectrolyte [J] .Joule、2018。

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