Putere dublă din titan și staniu pentru o stabilitate îmbunătățită a bateriei

Unul dintre obstacolele majore în calea stocării eficiente a energiei regenerabile și a reducerilor semnificative ale emisiilor de carbon este capacitatea bateriei. În bateriile litiu-ion (LIB), un aliaj de staniu (Sn) și un amestec de Sn pot fi utilizate ca anod de baterie care eliberează electroni, stocând potențial mai multă energie la o densitate mai mare decât anozii convenționali pe bază de carbon.

Când Sn-Ti bimetalic a fost combinat cu etilenglicolul ieftin (Sn-Ti-EG), multe dintre dificultățile asociate cu utilizarea Sn ca material anodic au fost reduse și a fost creat un LIB accesibil, cu proprietăți superioare de stocare și performanță.

În timp ce aliajele Sn și Sn de Sn și alt metal pot funcționa mai bine decât materialele anodice alternative, stabilitatea lor redusă se datorează expansiunii metalului în timpul încărcării și descărcării.

Dezvoltarea unui cadru metal-organic (MOF) care oferă o stabilitate puternică în timpul încărcării și reîncărcării și menține transferul rapid de electroni (fluxul de energie) este o modalitate de a depăși această limitare.

Un compus bimetalic organic Sn-Ti-EG a fost dezvoltat recent de oamenii de știință din materiale și a demonstrat o conductivitate electrică excelentă, capacitate energetică și stabilitate pe un număr de cicluri de încărcare și descărcare. Pe 20 noiembrie^y2023, cercetătorii și-au publicat concluziile în jurnal Materiale și dispozitive energetice.

S-au îndreptat eforturi considerabile spre dezvoltarea materialelor catodice și anodice de mare capacitate pentru LIB-uri cu densitate mare de energie. Deoarece capacitățile materialelor catodice bine-cunoscute, cum ar fi LiFePO₄si oxizi stratificati bogati in Ni si LiMn₂Hei₄și-au atins limitele teoretice și se acordă mai multă atenție găsirii de materiale anodice care au densități mari de energie ca alternativă la anozii de grafit folosiți în mod obișnuit, care au putere teoretică și densități de robinet relativ scăzute..

Chen Donghuang, autor principal și profesor la Laboratorul cheie de stat de electronică organică și afișaj de informații

Zhen-Dong Huang este, de asemenea, asociat cu Laboratorul cheie de biosenzori Jiangsu de la Universitatea de Poștă și Telecomunicații Nanjing din Nanjing, China.

Cantitatea de sarcină electrică (miliamperi oră sau mAh) pe care o poate conduce o substanță per gram (g^-1) Cunoscuți pentru capacitatea lor, anozii compuși din grafit, o formă cristalină a carbonului, au o capacitate teoretică de 372 mAh.^-1.

Pe de altă parte, comparativ cu anozii de grafit, capacitățile teoretice ale metalelor Sn, bismut (Bi) și antimoniu (Sb) sunt mai mari. De exemplu, anozii sn au o capacitate teoretică de 994 mAh^-1Dar creșterea sa provoacă probleme de stabilitate.

Huang a spus,Pentru a rezolva problemele de stabilitate asociate cu anozii Sn, au fost explorate o multitudine de strategii, inclusiv reducerea dimensiunii particulelor, introducerea de metale inerte și agregarea materialelor carbonice. Mai mult decât atât, structurile proiectate rațional, cum ar fi structurile goale, stratificate și de miez, joacă un rol important în atenuarea expansiunii de volum.„.

Mai mult, Huang a continuat: „Deși aceste strategii au ajutat la stabilizarea ciclicității într-o oarecare măsură, densitățile de energie ale anozilor nanostructurați sunt de obicei scăzute. În schimb, MOF-urile au o structură poroasă care nu numai că oferă un număr mare de locuri active, dar permite și penetrarea rapidă a electroliților și transferul de electroni/ioni.„.

Pentru a produce un material anodic mai stabil, cu performanțe electrochimice excelente, echipa de cercetare a dezvoltat un MOF special format din Sn, Ti și EG. De exemplu, EG completează circuitul bateriei acționând ca o punte organică între Sn încărcat pozitiv²⁺ Si t⁴⁺ ionii.

Ti se adaugă, de asemenea, stabilității materialului și structurii armate. Sn a îmbunătățit performanța electrochimică a materialului anodic cu o capacitate teoretică mai mare. Cercetătorii au dezvoltat în cele din urmă un nou material anod LIB, cu costuri reduse, care, chiar și după 700 de cicluri, a demonstrat stabilitatea materialului anodului prin menținerea unei capacități specifice ridicate de 345 mAh/g.^-1 Cu o densitate de curent de 1000 mA g^-1.

După 700 de cicluri, imaginile cu microscopul electronic de scanare au demonstrat că materialul anodic nu avea fracturi. S-a constatat că interacțiunea puternică dintre speciile Sn și carbonul oxigenat este motivul capacității specifice ridicate a electrodului și stabilității ciclice excelente, conform analizei ulterioare a materialului anodului Sn-Ti-EG.

Aceste informații ar putea ajuta viitorii cercetători să creeze materiale anodice cu proprietăți comparabile. Dezvoltarea actuală a capacității specifice anodului, conform echipei de studiu, este un precursor al altor materiale LIB care pot îmbunătăți capacitatea de stocare a bateriei și pot fi produse în masă în mod profitabil.

Yu Qingkai, Haoran Li, Qianzhi Sun, Xiang Wang și Zhiquan Li de la Laboratorul cheie de stat de electronică organică și afișare a informațiilor și Laboratorul cheie de biosenzori Jiangsu de la Institutul de materiale avansate de la Centrul național de inovare sinergică pentru materiale avansate din Jiangsu din Nanjing Universitatea de Poște și Telecomunicații, Nanjing, China a contribuit la căutare.

Alți contribuitori includ Haigang Liu de la Shanghai Synchrotron Radiation Facility de la Institutul de Cercetare Avansată din Shanghai al Academiei Chineze de Științe din Shanghai, China; și Jang Kyu Kim de la Departamentul de Inginerie Mecanică de la Universitatea Khalifa din Abu Dhabi, Emiratele Arabe Unite.

Studiul a fost finanțat de Fundația Națională de Științe Naturale din China, Proiectul State Key Laboratory of Organic Electronics and Information Display, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Jiangsu Province Postuniversitare Research and Practice Innovation Program, Sprijin financiar pentru Universitatea Khalifa și Shanghai Instalație de radiații sincrotron.

Referința revistei:

Kay, Y., et al., (2023). Reacție de coordonare puternică în complexul amorf de Sn-Ti-etenglicol pentru stocarea stabilă a ionilor de litiu.Materiale și dispozitive energetice. doi.org/10.26599/emd.2023.9370013.

sursă: http://www.tup.tsinghua.edu.cn/en/index.html