UNS: Dendrite-Free Storage of Lithium Metal in Porous Graphene Networks

UNS:多孔石墨烯网络中锂金属的无枝晶存储

基本信息

  • 批准号:
    1510828
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 30万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2015
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2015-09-15 至 2018-08-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

PI: Nikhil KoratkarProposal Number: 1510828Rechargeable lithium ion batteries support the development of sustainable energy systems by storing electricity generated by renewable resources such as wind and solar energy, or by powering zero-emission electric vehicles charged by electricity from renewable resources. A fundamental reliability issue with lithium ion batteries is the formation of lithium metal whiskers within the battery that ultimately short out the battery, creating a potential fire hazard and reducing battery life. The goal of this project is develop a lithium ion battery electrode which contains a form of carbon called porous graphene that will be designed to suppress this detrimental process. The project will seek fundamental understanding of lithium metal formation on the porous graphene and then use this information to design a higher performance, and safer, lithium ion battery. The educational activities associated with this project include the development of interactive learning module on lithium ion batteries for engineering classroom use, and outreach on nanotechnology topics to local high schools.A fundamental problem with lithium ion batteries for electrochemical energy storage is the eventual formation of lithium metal dendrites resulting from the plating of lithium metal on the outside surface of the anode, as opposed to within the anode where it is needed for high-energy density storage. These microscopic projections grow upon repeated cycling and ultimately pierce the separator, touch the cathode, and short out the device. The overall goals of the proposed research are to develop a fundamental understanding of lithium metal plating and dendrite formation in microporous graphene anodes, and then to use this information to develop micro-structured porous graphene networks that suppress dendrite formation and confine lithium metal plating within the porous network. Towards this end, the research plan has four objectives. The first objective is to understand the role of graphene defects in attracting lithium ions and initiating the plating mechanism. The second objective is to tune the type and density of defects in graphene in order control lithium metal storage within porous graphene networks. The third objective is to explore how mechanical confinement and electric field modulation effects can be used to suppress the formation of lithium dendrites in porous graphene structures. Finally, under objective 4, the kinetics of lithium ion diffusion though porous graphene structures will be characterized. A combination of detailed Ab initio and molecular dynamics simulations, as well as X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), electrochemical impedance spectroscopy (IES), SEM, and TEM, will be the tools used carry out these objectives. Fundamental understanding obtained under these four objectives will be used to fabricate a lithium ion battery with microstructured porous graphene anodes designed to suppress lithium metal dendrite formation. Performance will be assessed through energy density, power density and charge/discharge cycling measurements. The research results will be used to develop an interactive virtual laboratory on the design of graphene based electrode structures for Li-ion rechargeable batteries for use in an undergraduate mechanical systems laboratory course.
PI:Nikhil Koratkar提案编号:1510828可充电锂离子电池通过存储风能和太阳能等可再生资源产生的电力,或为由可再生资源电力充电的零排放电动汽车提供动力,支持可持续能源系统的发展。 锂离子电池的一个基本可靠性问题是电池内形成锂金属晶须,最终使电池短路,产生潜在的火灾危险并缩短电池寿命。该项目的目标是开发一种锂离子电池电极,其中含有一种称为多孔石墨烯的碳,旨在抑制这种有害过程。 该项目将寻求对多孔石墨烯上锂金属形成的基本了解,然后利用这些信息设计出性能更高、更安全的锂离子电池。 与该项目相关的教育活动包括开发供工程课堂使用的锂离子电池互动学习模块,以及向当地高中推广纳米技术主题。用于电化学储能的锂离子电池的一个基本问题是最终形成锂金属枝晶,这是由于锂金属镀在阳极的外表面上,而不是阳极内部,而阳极的外表面上镀有锂金属。 高能量密度存储。 这些微小的突出物会在重复循环后生长,最终刺穿隔膜,接触阴极,并使设备短路。 该研究的总体目标是对微孔石墨烯阳极中的锂金属镀层和枝晶形成有一个基本的了解,然后利用这些信息开发微结构多孔石墨烯网络,抑制枝晶形成并将锂金属镀层限制在多孔网络内。 为此,该研究计划有四个目标。 第一个目标是了解石墨烯缺陷在吸引锂离子和启动电镀机制中的作用。 第二个目标是调整石墨烯中缺陷的类型和密度,以控制多孔石墨烯网络内的锂金属存储。 第三个目标是探索如何利用机械约束和电场调制效应来抑制多孔石墨烯结构中锂枝晶的形成。 最后,在目标 4 下,将表征锂离子通过多孔石墨烯结构扩散的动力学。 详细的从头计算和分子动力学模拟以及 X 射线光电子能谱 (XPS)、电化学阻抗谱 (IES)、SEM 和 TEM 的组合将成为实现这些目标的工具。 在这四个目标下获得的基本理解将用于制造具有微结构多孔石墨烯阳极的锂离子电池,该阳极旨在抑制锂金属枝晶的形成。 将通过能量密度、功率密度和充电/放电循环测量来评估性能。 研究结果将用于开发一个交互式虚拟实验室,用于设计锂离子充电电池的石墨烯基电极结构,供本科生机械系统实验室课程使用。

项目成果

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  • 资助金额:
    $ 30万
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知道了