Регулиране на двумерни наноматериали за литиево-йонни батерии

От Science China Press

Литиево-йонните батерии (LIB) са изгодни устройства за съхранение на енергия поради тяхната по-висока специфична енергийна плътност, по-нисък саморазряд и по-нисък ефект на паметта. Сред компонентите на батериите, електродните материали играят ключова роля в подобряването на електрохимичните свойства. По този начин разработването на усъвършенствани електродни материали за високопроизводителни LIB е основна цел в свързани изследователски области.

Двуизмерните (2-D) наноматериали, включително графен, нанопласти от преходен метален оксид (TMO), нанопласти от дихалкогенид на преходен метал (TMD) и др., са съставени от един или няколко монослоя от атоми (или единични клетки). Те имат изключителни физични и химични свойства за разлика от техните насипни аналози. Интегрирането на 2-D наноматериали с устройства за съхранение на енергия може да преодолее големи предизвикателства, предизвикани от непрекъснато нарастващите глобални енергийни нужди. За съжаление, директната употреба на тези листови материали е предизвикателство поради сериозната склонност към самоагломериране, относително ниска проводимост и очевидни промени в обема при повтарящи се цикли на зареждане-разреждане.

В нов преглед, публикуван в National Science Review, учени от Австралия от Технологичния университет в Куинсланд и Университета на Уолонгонг обобщиха скорошния напредък в стратегиите за подобряване на производителността на литиево съхранение на 2-D наноматериали. Тези стратегии за манипулиране на структурите и свойствата се очаква да отговорят на основните предизвикателства за напредналите наноматериали в приложенията за съхранение на енергия. Съавторите Jun Mei, Yuanwen Zhang, Ting Liao, Ziqi Sun и Shi Xue Dou идентифицират три основни стратегии: хибридизация с проводими материали, функционализация на повърхността/ръба и структурна оптимизация.

„Стратегията на хибридизация е най-често срещаната за нанокомпозити на базата на TMO/TMD, в които някои проводими наноструктури, например нано-въглерод, въглеродни нанотръби (CNT), графен, органични полимери, метални наночастици и др., се въвеждат за хибридизиране с TMO/TMD нанопластини за подобряване на общата проводимост и приспособяване на обемното разширение на наноматериали от метален оксид или сулфид по време на повтарящите се цикли на зареждане/разреждане“, съобщават изследователите.

"Втората стратегия е функционализация на ръба/повърхността, която може да бъде постигната чрез атомно/йонно легиране или инженерство на дефекти по краищата или върху повърхностите на 2-D наноматериалите. Имплантирането на хетероатоми или йони в 2-D наноматериали помага за модулиране електронната структура, повърхностната химическа реактивност или междуслойното разстояние на 2-D наноматериалите и допълнително подобрява капацитета за съхранение на литиеви йони", пишат те. „Третата стратегия за оптимизиране на структурата често се реализира чрез контролиране на някои структурни параметри по време на производството, като дебелина, размер, пори или морфология на повърхността, които имат значително въздействие върху зависимите от структурата свойства и електрохимичните характеристики и са полезни за облекчаване на неизбежното самоподреждане и излагане на повече активни сайтове."

Учените заключават: „Тези ефективни стратегии за подобряване на литиевото съхранение на 2-D наноматериали ще бъдат добри отправни точки за учени и изследователи в свързаните области на материалите, химията и нанотехнологиите, които очакват с нетърпение да разработят превъзходни акумулаторни устройства от следващо поколение батерии".