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Difetti su misura in un anodo di carbonio duro per migliorare le prestazioni di stoccaggio di Na

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Effetto del K+ preassorbito sulla reversibilità della reazione. Credito: Ruiqi Dong et al

Attualmente, le batterie agli ioni di litio (LIB) hanno ottenuto l’attenzione mondiale come sistemi avanzati di accumulo di energia per l’elettronica commerciale e i veicoli elettrici. Tuttavia, la scarsa abbondanza e la distribuzione irregolare delle risorse di litio hanno spinto la consapevolezza che le LIB potrebbero non essere in grado di soddisfare la domanda sempre crescente di sistemi di accumulo di energia elettrochimica su scala di rete. Per stimolare ulteriori ricerche su un candidato più abbondante e molto più economico, i ricercatori in Cina hanno valutato le batterie agli ioni di sodio (SIB) proposte e hanno offerto nuovi anodi di carbonio duro per batterie più sostenibili ed economiche.

Hanno pubblicato il loro lavoro il 10 marzo a Avanzamenti materiali energetici.

“Le batterie agli ioni di sodio (SIB) sono state sotto i riflettori per la sostituzione delle batterie agli ioni di litio”, ha affermato l’autore del documento Ying Bai, professore presso la School of Materials Science and Engineering presso l’Istituto di tecnologia di Pechino. “Grazie all’efficacia dei costi, alle risorse di Na inesauribili, alla natura chimica simile di Na con il Li e a un meccanismo operativo simile ai LIB, lo sviluppo di SIB è altamente auspicabile. Di conseguenza, è fondamentale sviluppare materiali per elettrodi avanzati con prestazioni di velocità eccellenti, buon ciclo stabilità e densità di energia elevate.”

Bai ha spiegato che tra i vari materiali anodici, i materiali in carbonio possono essere i candidati più probabili a causa di molteplici superiorità, come il basso costo, la facile raggiungibilità e le elevate prestazioni di ciclismo.

“La grafite rappresenta gli anodi a base di carbonio più promettenti che sono stati commercialmente utilizzati nei LIB per decenni. Tuttavia, la grafite non è una scelta appropriata per i SIB, perché non è energeticamente stabile per formare composti di intercalazione sodio-grafite (Na-GIC), “Ha detto Bai. “Gli anodi di carbonio morbido mostrano anche capacità di accumulo di sodio relativamente inferiori a causa della distanza interstrato insufficiente per l’intercalazione ionica. Rispetto al carbonio morbido e alla grafite, i carboni duri (HC) possiedono una capacità di accumulo di Na relativamente maggiore a causa della struttura più eterogenea che contiene grafite curva domini con un’ampia spaziatura tra gli strati per l’inserimento di Na e massicci nanopori e terminazioni di bordo per l’adsorbimento di Na”.

Tuttavia, alcuni ostacoli ostacolano la commercializzazione degli HC. Secondo Bai, le sfide chiave per gli HC, in particolare il loro basso ICE, la scarsa stabilità ciclica e la scarsa capacità di velocità, richiedono ancora un’esplorazione approfondita. Basso ICE significa Na esistente non reciproco+ perdita laterale, che richiede abbastanza Na+ alimentazione estratta da catodi super proporzionali quando si imballano batterie piene, il che può ridurre la densità di energia complessiva e le prestazioni di ciclo delle batterie piene. La scarsa capacità di velocità limita le loro applicazioni nei dispositivi elettronici ad alta potenza e le scarse prestazioni di ciclismo ostacolano in modo significativo le realizzazioni pratiche dei SIB. Pertanto, sono necessarie strategie avanzate di ingegneria dei materiali per aumentare le prestazioni SIB degli anodi HC.

Per migliorare le prestazioni di stoccaggio di Na degli HC, Bai ha affermato che molti studi si concentrano su carboni amorfi con un’ampia superficie specifica (SSA) o materiali di carbonio drogati con eteroatomi con più difetti, come carbonio poroso, carbonio nanometrico o carbonio drogato con eteroatomi da anioni . Bai e il suo team hanno esaminato i progressi delle strategie di ingegneria dei materiali per gli anodi HC.

In primo luogo, la progettazione di nanostrutture offre vantaggi di elaborazione controllabili nella costruzione di atomi di carbonio con architetture, morfologie e dimensionalità gerarchiche e complicate. In secondo luogo, l’ingegneria dei pori con micro/meso/macropori interconnessi può migliorare la diffusione ionica e l’utilizzo dei siti attivi interni. In terzo luogo, l’ingegneria dei difetti è efficace per promuovere l’attività elettrochimica dei carboni per contribuire a un’elevata capacità di stoccaggio.

Sfortunatamente, Bai ha affermato che sia la grande SSA che i difetti eccessivi nella struttura del carbonio tendono a indurre una decomposizione incontrollabile dell’elettrolita e la formazione di un film interfase di elettrolita solido (SEI) irregolare e instabile, con conseguente basso ICE, scarsa stabilità ciclica e diminuzione della diffusività del sodio. Pertanto, secondo Bai, sono altamente auspicabili nuove strategie di ottimizzazione dei materiali.

“L’introduzione di cationi può anche regolare la microstruttura degli HC, come la spaziatura tra gli strati, la conduttività elettronica, i microdomini di grafite e ricostruire la funzionalità della superficie, ecc., senza che si formino difetti o pori extra attivi. Pertanto, il drogaggio cationico è fondamentale per ottimizzare gli HC con proprietà fisico-chimiche desiderabili per anodi ad alte prestazioni In questo lavoro, abbiamo preparato HC drogati con K mediante ricottura di K+ risorse di carbonio preassorbite chimicamente. Il K+ è stato selezionato per essere preassorbito su gruppi funzionali dell’ossigeno e alcuni difetti negli HC per disattivare questi siti attivi, contribuendo a un elevato ICE e un’elevata stabilità del ciclo”.

“Il potassio ha una bassa energia di ionizzazione e può legarsi con gruppi funzionali contenenti ossigeno caricati negativamente con grande attrazione elettrostatica, formando una struttura stabile”, ha detto Bai. “I gruppi funzionali dell’ossigeno come carbonili e idrossili e alcuni siti di difetti sul carbonio possono funzionare come siti di ancoraggio per K+.” Secondo Bai, il K+ viene adsorbito chimicamente sui gruppi funzionali dell’ossigeno formando legami COK e occupando alcuni siti di difetto.

“Pertanto, l’adsorbimento irreversibile di Na+ da gruppi funzionali dell’ossigeno e altri difetti possono essere ridotti, portando così a un migliore ICE”, ha detto Bai. “Nel frattempo, il K preassorbito+ può portare a un riarrangiamento strutturale del carbonio durante il processo di carbonizzazione ad alta temperatura, con conseguente aumento della spaziatura tra gli strati e una migliore estensione della grafitizzazione. “Secondo Bai, queste evoluzioni strutturali portano a Na veloce+ diffusione e una maggiore conduttività, in modo che le capacità di velocità di K+-viene promosso anche il carbonio duro preassorbito e si possono ottenere anche un ICE migliore e un’eccezionale stabilità in bicicletta.

Questo lavoro ha proposto un modo nuovo, efficiente ed economico per migliorare le prestazioni elettrochimiche degli HC. Bai ha affermato che tale metodo è adatto per la produzione su larga scala, promuovendo così l’applicazione commerciale degli HC per i SIB.

“Sebbene siano stati raggiunti grandi risultati, lo sviluppo di pratici anodi HC per SIB deve ancora affrontare enormi sfide, come complicate fasi di fabbricazione, microstruttura complessa di HC, meccanismo di accumulo di Na poco chiaro, ecc.”, ha affermato Bai. “Ogni tipo di materiale di carbonio ha i propri colli di bottiglia nello sviluppo, che sono la richiesta di strategie avanzate per mitigare questi problemi. Inoltre, anche una comprensione approfondita dei meccanismi di reazione elettrochimica dei materiali di carbonio per i SIB è altrettanto importante per la progettazione di materiali ad alte prestazioni Nel complesso, c’è ancora molta strada da fare per la commercializzazione di HC e SIB”.


Fornito da Beijing Institute of Technology Press

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