Wissenschaftler entwickeln vollständig 3D-gedruckte Lithium-Metall-Batterien mit hoher Energiedichte

Ein Forscherteam unter der Leitung von Prof. WU Zhongshuai vom Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat 3D-gedruckte Li-Metall-Batterien (LMBs) mit robuster Zyklenstabilität und ultrahoher flächiger Energiedichte entwickelt.

Die LMBs verwenden ein poröses und leitfähiges Ti3C2Tx MXen-Skelett als dendritenfreie und stabile Li-Metall-Anode und ein mehrdimensionales leitfähiges LiFePO4 (LFP)-Gitter als ultradicke Kathode.

LMBs werden als eine Klasse von Systemen mit hoher Energiedichte angesehen, die über den derzeitigen Stand der Technik bei Lithium-Ionen-Batterien hinausgehen. Dennoch haben das unkontrollierbare Dendritenwachstum und die enorme Volumenveränderung der Li- Metallanoden zu einer schlechten Zykluslebensdauer geführt.

In dieser Studie berichteten die Forscher über einen 3D-Druckansatz zur Herstellung von ultrahochleistungsfähigen LMBs. Die LMBs bestanden aus einer dendritenfreien Li-Metall-Anode mit porösen MXen-Gittern zur Regulierung der lokalen Stromverteilung, wodurch die Lithium-Keimbildung homogenisiert wurde, und einer 3D-leitfähigen porösen LFP-Gerüstkathode, um schnelle Ionen-/Elektronentransferkanäle zu erreichen.

Aufgrund der zahlreichen Li-Keimbildungsstellen und des großen Porenvolumens in den MXen-Gittern verhinderten die 3D-gedruckten MXen-Gerüste die unendliche Volumenänderung und die dendritische Bildung von Li-Anoden.

Durch die Kombination von ultradicken LFP-Kathodengittern mit hocheffizienten Elektronen- und Ionennetzwerken lieferten die 3D-gedruckten LFP||MXen@Li-LMBs eine beispiellose Flächenkapazität (25,3 mAh/cm2) und Energiedichte (81,6 mWh/cm2) bei einer ultrahohen Massenbelastung von 171 mg/cm2 und übertrafen damit alle bisher veröffentlichten 3D-gedruckten Batterien.