Un design ispirato alle ali di libellula per batterie al litio ad alta energia
Un elettrolita polimerico solidificato in situ meccanicamente robusto per anodi a base di SiOx
Nella ricerca di batterie agli ioni di litio (LIB) a più alta densità energetica, i ricercatori esplorano costantemente soluzioni innovative per migliorare le prestazioni degli anodi a base di SiOx. Un recente articolo pubblicato su Nano-Micro Lettersdel professor Guanglei Cui e del professor Huanrui Zhang del Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology, Chinese Academy of Sciences, presenta un innovativo elettrolita polimerico ispirato alla microstruttura delle ali di libellula, che offre proprietà meccaniche e prestazioni elettrochimiche superiori.
Perché questa ricerca è importante
- Maggiore stabilità elettrochimica: Gli anodi a base di SiOx sono noti per la loro elevata capacità specifica teorica, che li rende interessanti per le LIB ad alta densità energetica. Tuttavia, la loro significativa variazione di volume e il rapido decadimento della capacità durante il ciclo pongono delle sfide per le applicazioni pratiche. Questo studio introduce un elettrolita polimerico (PPM-PE) che sopprime efficacemente questi problemi formando un'interfase stabile di elettrolita solido (SEI) e riducendo la decomposizione dell'elettrolita.
- Migliori proprietà meccaniche: Il PPM-PE, ispirato alla struttura a separazione di fase delle ali di libellula, presenta eccellenti proprietà meccaniche, tra cui un elevato allungamento a rottura e un'elevata resistenza alla rottura. Queste proprietà aiutano a mitigare l'espansione volumetrica degli elettrodi SiOx e a mantenere l'integrità strutturale durante i cicli.
- Potenziale per le applicazioni pratiche: Il PPM-PE consente di migliorare significativamente le prestazioni di ciclaggio e di velocità nelle celle complete a bottone e a pacchetto morbido con elettrodi a base di SiOx, dimostrando il suo potenziale per l'uso pratico nelle LIB ad alta densità energetica.
Design e meccanismi innovativi
- Microstruttura ispirata alle ali di libellula: Il PPM-PE è stato progettato con una struttura di separazione delle microfasi che imita la fase della vena alare rigida e la fase della membrana alare morbida delle ali di libellula. Questa struttura è ottenuta mediante polimerizzazione in situ di monomeri biciclici contenenti esteri di fosfato e motivi uretanici (PU) e metilmetacrilato (MMA) in un elettrolita organico liquido. I segmenti di PU e i motivi MMA formano una rete polimerica 3D che protegge dalle sollecitazioni e stabilizza il SEI.
- Proprietà meccaniche superiori: I film PPM-PE presentano un allungamento a rottura del 161% e una resistenza alla rottura di 1,58 MPa, superando in modo significativo gli altri elettroliti polimerici. Questa robustezza meccanica aiuta a resistere alle variazioni di volume degli elettrodi SiOx e a mantenere un SEI stabile durante i cicli.
- Migliori prestazioni elettrochimiche: Il PPM-PE mostra un elevato numero di trasferimento del litio (tLi+) di 0,57 e una resistenza all'ossidazione di oltre 5,25 V, contribuendo a velocizzare la cinetica di reazione elettrochimica e a migliorare le prestazioni di velocità. Lo strato SEI rinforzato con polimeri e ricco di LiF stabilizza ulteriormente la struttura dell'elettrodo e riduce la decomposizione dell'elettrolita.
Applicazioni e prospettive future
- LIB ad alta densità energetica: Il PPM-PE dimostra eccellenti prestazioni elettrochimiche nelle semicelle a base di SiOx e nelle celle complete a pacchetto morbido, con una conservazione della capacità dell'88,14% dopo 148 cicli a velocità 1C e dell'80,81% dopo 250 cicli a velocità 0,4C. Questi risultati evidenziano il potenziale del PPM-PE per le applicazioni pratiche nelle LIB ad alta densità energetica.
- Ricerche future: Il lavoro futuro si concentrerà sull'ulteriore ottimizzazione del design dell'elettrolita polimerico per migliorarne le prestazioni e sull'esplorazione della sua applicazione in altri tipi di batterie ad alta densità energetica. La filosofia progettuale ispirata alle ali di libellula potrebbe essere applicata anche ad altri materiali e sistemi di batterie per migliorarne le proprietà meccaniche ed elettrochimiche.
Questo innovativo elettrolita polimerico, ispirato alla microstruttura delle ali di libellula, rappresenta un significativo passo avanti nello sviluppo di anodi ad alte prestazioni a base di SiOx per batterie agli ioni di litio. Rimanete sintonizzati per ulteriori ricerche rivoluzionarie da parte del team del professor Guanglei Cui e del professor Huanrui Zhang, che continuano a spingersi oltre i confini della tecnologia di stoccaggio dell'energia.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
Pubblicazione originale
Cizhen Luo, Huanrui Zhang, Chenghao Sun, Xing Chen, Wenjun Zhang, Pengzhou Mu, Gaojie Xu, Rongxian Wu, Zhaolin Lv, Xinhong Zhou, Guanglei Cui; "A Mechanically Robust In-Situ Solidified Polymer Electrolyte for SiOx-Based Anodes Toward High-Energy Lithium Batteries"; Nano-Micro Letters, Volume 17, 2025-5-8
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