Ένα νέο υβριδικό υλικό ηλεκτροδίου, όπως [email protected] για μπαταρίες ιόντων λιθίου υψηλής απόδοσης
Με την αυξανόμενη προσοχή στα περιβαλλοντικά προβλήματα και την έντονη ζήτηση για καθαρή και βιώσιμη ενέργεια, γίνεται σημαντικός στόχος παγκοσμίως η κατασκευή μιας προηγμένης συσκευής αποθήκευσης ενέργειας με υψηλή ενεργειακή πυκνότητα, υψηλή πυκνότητα ισχύος και σταθερότητα μακράς ποδηλασίας. Πρόσφατα, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου (LIB) έχουν προσελκύσει μεγάλη προσοχή και έχουν σημειώσει μεγάλη επιτυχία σε έξυπνους φορητούς υπολογιστές και ελαφρά ηλεκτρικά οχήματα.
Δυστυχώς, η μεγάλης κλίμακας εφαρμογή τους σε ηλεκτρικά οχήματα μεγάλης εμβέλειας και υβριδικά οχήματα είναι περιορισμένη λόγω της χαμηλής χωρητικότητας και της κακής απόδοσης του εμπορικού υλικού ηλεκτροδίων γραφίτη. Ως εκ τούτου, είναι εξαιρετικά επείγουσα η έρευνα και η ανάπτυξη προηγμένων υλικών ηλεκτροδίων με μεγαλύτερη χωρητικότητα, μεγαλύτερη διάρκεια ποδηλασίας και καλύτερη απόδοση ρυθμού.
Πρόσφατα, η επιδίωξη ενεργών, σταθερών, χαμηλού κόστους και καλοσχεδιασμένων υλικών ηλεκτροδίων με ανώτερη ικανότητα ταχύτητας και απόδοση ποδηλασίας μεγάλης διάρκειας για τα LIB παίζει σημαντικό ρόλο στη βελτίωση της συνολικής απόδοσης των LIB. Είναι ευρέως γνωστό ότι τα φωσφίδια μετάλλων μεταπτώσεως (TMPs), ιδιαίτερα το FeP, έχουν προσελκύσει μεγάλη προσοχή λόγω των υψηλών θεωρητικών ικανοτήτων, του χαμηλού κόστους και της μη τοξικότητάς τους. Ωστόσο, οι μπαταρίες που χρησιμοποιούν FeP ως υλικά ανόδου εμφάνισαν ανικανοποίητη απόδοση κύκλου λόγω της εγγενώς κακής ηλεκτρικής αγωγιμότητάς τους και της δραστικής αλλαγής όγκου (>200vol%) που προκαλείται από τις αντιδράσεις μετατροπής κατά τις διαδικασίες λιθίωσης και απολιθίωσης [1].
Μέχρι σήμερα, έχουν χρησιμοποιηθεί διάφορες στρατηγικές για τη βελτίωση της ηλεκτροχημικής απόδοσης αποθήκευσης για το λίθιο του FeP. Πρώτον, ο σχεδιασμός της δομής σε νανοκλίμακα μπορεί να συντομεύσει την απόσταση διάχυσης των ιόντων λιθίου και των ηλεκτρονίων και να βελτιώσει την ενεργή επιφάνεια των ηλεκτροχημικών αντιδράσεων. Δεύτερον, ο συνδυασμός FeP με ανθρακούχα υλικά μπορεί να αυξήσει την ηλεκτρική αγωγιμότητα και να ρυθμίσει τις αλλαγές όγκου. Τρίτον, τα υλικά ηλεκτροδίων με κοίλη και πορώδη δομή μπορούν να μετριάσουν τη διακύμανση του όγκου, να προσφέρουν περισσότερες ενεργές θέσεις και να επιταχύνουν την κινητική διάχυσης ιόντων και ηλεκτρονίων. Ωστόσο, σοβαρά μειονεκτήματα όπως η χρήση τοξικών πρόδρομων ουσιών, καθώς και οι περίπλοκες και αυστηρές συνθήκες καθιστούν αυτές τις στρατηγικές δύσκολο να εφαρμοστούν στην πράξη [2]. Ως εκ τούτου, η διερεύνηση νέων και απλών τρόπων για την κατασκευή κοίλων και πορωδών δομών FeP με επικάλυψη άνθρακα εξακολουθεί να είναι εξαιρετικά δύσκολη.
Εδώ, το MIL-88(Fe), ένα τυπικό MOF, έχει χρησιμοποιηθεί ως παράδειγμα για την παρασκευή εξαιρετικά λεπτών νανοσωματιδίων FeP που ενθυλακώνονται σε ένα πολυεδρικό άνθρακα που μοιάζει με σαΐτα (Εικόνα 1). Το πορώδες στρώμα άνθρακα όχι μόνο ωφελεί την αγωγιμότητα των ηλεκτρονίων όπως αναφέρεται στην προηγούμενη βιβλιογραφία, αλλά επίσης αποτρέπει την ανάπτυξη και τη συσσώρευση εξαιρετικά λεπτών νανοσωματιδίων FeP κατά την παρασκευή. Από τον χαρακτηρισμό της δομής, το [email protected] εμφανίζει μια μοναδική δομή με εξαιρετικά λεπτά νανοσωματίδια FeP που κατανέμονται στην κοίλη και πορώδη μήτρα άνθρακα, η οποία προσφέρει μεγάλη ειδική επιφάνεια και ικανότητα γρήγορης μεταφοράς φορτίου και μειώνει την αλλαγή όγκου κατά τη διάρκεια της ανακύκλωσης.
Το [email protected] προσφέρει υψηλή μέγιστη χωρητικότητα αποθήκευσης λιθίου (902,4mAh g σε 0,1Ag για 100 κύκλους), ανώτερη ικανότητα ταχύτητας (αναστρέψιμη χωρητικότητα 416mAh g σε 5,0Ag) και απόδοση ποδηλασίας μεγάλης διάρκειας (3000 κύκλοι σε 5,0Ag) λόγω της καλής ικανότητας μεταφοράς φορτίου και επικάλυψης άνθρακα καθώς και του μεγάλου κενού χώρου για την ανακούφιση της τεράστιας αλλαγής όγκου του FeP κατά τη διάρκεια της ποδηλασίας. Επιπλέον, η εξαιρετική ηλεκτροχημική απόδοση σχετίζεται με σημαντική συμβολή της ψευδοχωρητικής συμπεριφοράς κατά τη διαδικασία φόρτισης/εκφόρτισης, ειδικά σε υψηλή πυκνότητα ρεύματος. Τα ποσοστά ψευδοχωρητικής συμβολής είναι 48,4%, 51,6%, 56,7%, 68,8%, 72,8%, 78,5% και 81,5% σε ρυθμούς σάρωσης 0,2, 0,4, 0,6, 0,8, 1,0, 1,2 και 1,4m αντίστοιχα, αντίστοιχα, Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η ψευδοχωρητική συμπεριφορά για την αποθήκευση ιόντων λιθίου συμβάλλει σημαντικά στη συνολική χωρητικότητα, ειδικά σε υψηλή πυκνότητα ρεύματος, και η υψηλή ψευδοχωρητική συμβολή θα πρέπει να αποδοθεί σε μικρό μέγεθος σωματιδίων με μεγάλη ειδική επιφάνεια και υψηλό πορώδες [3]. /P>
Η εξαιρετική ηλεκτροχημική απόδοση δείχνει ότι το [email protected] μπορεί να λειτουργήσει ως υποψήφιος υψηλής απόδοσης για την άνοδο των LIB και η τρέχουσα στρατηγική θα πρέπει επίσης να εφαρμοστεί πολλά υποσχόμενα για τη σύνθεση άλλων πορωδών δομών με επίστρωση άνθρακα από MOF για ενέργεια επόμενης γενιάς. εφαρμογή αποθήκευσης.
Αναφορές:
- J. Cabana, L. Monconduit, D. Larcher, M.R. Palacín, Πέρα από τις μπαταρίες ιόντων λιθίου που βασίζονται σε παρεμβολή:η κατάσταση της τέχνης και οι προκλήσεις των υλικών ηλεκτροδίων που αντιδρούν μέσω αντιδράσεων μετατροπής. Adv. Mater., 2010, 22, E170-E192.
- Σ. Serp, P.alck, R. Feurer, Μέθοδοι απόθεσης χημικών ατμών για την ελεγχόμενη παρασκευή υποστηριγμένων καταλυτικών υλικών. Chem. Rev., 2002, 102(9), 3085-3128.
- Τ. Brezesinski, J. Wang, S.H. Tolbert, B. Dunn, Ordered mesoporous α-MoO3 with iso-oriented nanocrystalline walls for thin-film pseudocapacitors. Nat. Mater., 2010, 9, 146-151.
