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Aug 26, 2023

Forscher zeigen Graphyne

Forscher aus Frankreich und den Niederlanden haben gezeigt, dass sowohl Graphin- als auch Graphdiin-Oberflächen in einer Festkörper-Li-Metall-Batterie effektiv die Li-Interkalation ermöglichen und gleichzeitig andere verhindern

Forscher aus Frankreich und den Niederlanden haben gezeigt, dass sowohl Graphin- als auch Graphdiin-Oberflächen in einer Festkörper-Li-Metall-Batterie effektiv die Li-Interkalation ermöglichen und gleichzeitig verhindern, dass andere Elektrolytmoleküle die Elektroden erreichen. Ein Artikel über ihre Arbeit ist im Journal of Power Sources veröffentlicht.

Vollfeste Elektrolyte könnten in Kombination mit einer Lithium-Metall-Anode zu einem technologischen Durchbruch in der Leistung von Festkörperbatterien führen. Die Verwendung einer Lithium-Metall-Anode bringt jedoch mehrere Herausforderungen mit sich, wie z. B. Dendritenwachstum, elektrochemische Stabilität der Grenzfläche, Bildung und Ausbreitung von Rissen sowie Delaminierung der Grenzflächen zwischen Elektrode und Elektrolyt.

Ziel dieser Arbeit ist es, die Wirksamkeit der Verwendung neu synthetisierter 2D-Membranen auf Graphinbasis (nämlich Graphin, Graphdiin und Graphtriin) zum Elektrodenschutz in einer Festpolymerelektrolytbatterie durch First-Principle-Berechnungen, die Nudged-Elastic-Band-Methode und klassische Molekulardynamiksimulation zu untersuchen .

Unser Ziel ist es insbesondere, die Wirksamkeit dieser Membranen bei der Bewältigung der oben genannten Herausforderungen zu untersuchen.

Die Forscher schlugen eine alternative Lösung vor, die den direkten Kontakt zwischen Elektrolyten und Elektroden verhindert, indem sie die Elektroden mit Graphyn-n-Schichten (n = 1, 2, 3) überziehen, die für kleine Kationen wie Li+ und Na+ durchlässig sind.

Graphin (n=1), Graphdiin (n=2) und Graphtriin (n=3) sind 2D-Kohlenstoffallotrope, die aus Acetylenbindungen (sp-) und Benzol (aromatische Ringe) (sp-hybridisierte Kohlenstoffatome) bestehen. Graphyne ist eine ein Atom dicke ebene Schicht. Graphdiyn, seit 2010 synthetisiert, ist das stabilste nichtnatürliche Kohlenstoffallotrop mit Diacetylenbindungen. Aufgrund einer porösen Struktur mit dreieckigen Poren der Größen 3,94 Å, 5,42 Å bzw. 6,69 Å für Graphin, Graphdiin und Graphtriin sowie konjugierten Kohlenstoffen bietet Graphin-n Speicherplätze und Diffusionswege für kleine Ionen wie Li+.

Das Li+ kann somit in paralleler und senkrechter Richtung zu den Graphin-n-Schichten diffundieren, was Graphin-n zu einem vielversprechenden 2D-Material in Energiespeicherbatterien macht.

Das untersuchte Batteriemodell bestand aus festen Polymerelektrolyten (SPEs), die durch zwei Graphyn-N-Oberflächen begrenzt waren, wobei jede Oberfläche aus vier Schichten einer Graphyn-N-Schicht mit n=1, 2 oder 3 bestand.

Die Forscher legten ein hohes externes elektrisches Feld von bis zu 0,5 V/Å, 0,75 V/Å und 1 V/Å an, um den Ionendiffusionsprozess zu beschleunigen. Die Adsorptionsenergien, der Ladungstransfer und die Diffusion in der Ebene/außerhalb der Ebene von einzelnem Lithium auf graphinbasierten Oberflächen wurden untersucht. Anschließend berechneten und verglichen sie die Li-Permeabilität, die Abstoßungseffizienz der Elektrolytmoleküle und die intrinsischen Eigenschaften nanoporöser Membranen auf Graphinbasis.

Ressourcen

Mohammed Lemaalem, Nabil Khossossi, Gaelle Bouder, Poulumi Dey, Philippe Carbonnière (2023) „Graphyne-basierte Membran als vielversprechender Kandidat für den Schutz von Li-Batterie-Elektroden: Erkenntnisse aus atomistischen Simulationen“, Journal of Power Sources, Band 581 doi: 10.1016/ j.jpowsour.2023.233482

Gepostet am 20. August 2023 in Batterien, Li-Metall, Markthintergrund, Materialien | Permalink | Kommentare (0)