Исследователи рассматривают последние разработки двумерных наноматериалов в литий-ионных батареях

Предстоящий энергетический кризис и огромные потребности в энергии электронных устройств привлекли внимание к области накопления энергии.

Обзорная иллюстрация 2D наноматериалов с различной структурой и отличными характеристиками, используемых в литий-ионных батареях, с трех сторон анодные материалы, катодные материалы и гибкие аккумуляторы. (Изображение предоставлено World Scientific)

В новом исследовании, опубликованном в следующем выпуске в NANO ученые из Китайского нефтяного университета (Восточный Китай) обрисовали последние разработки в использовании двумерных (2D) наноматериалов на электродные материалы литий-ионных аккумуляторов, благодаря их необычным механическим и электрохимическим свойствам, делают их превосходными кандидатами в качестве электродов в литий-ионных аккумуляторах большой емкости и длительного срока эксплуатации.

Было отмечено, что загрязнение окружающей среды становится очень серьезной проблемой. Кроме того, борьба между энергетическим кризисом и растущими потребностями в энергии электронных устройств становится очень серьезной. Так как бороться с такими проблемами? Было обнаружено, что применение высокопроизводительных устройств накопления энергии, таких как литий-ионные аккумуляторы, является одним из успешных подходов.

Для достижения высокой емкости и продолжительного срока службы было предпринято много попыток улучшить электрохимические характеристики материалов электродов. В последнее время, благодаря своим захватывающим электрохимическим и механическим свойствам, двумерные наноматериалы были выдвинуты на передний план в исследованиях материалов электродов.

2D-наноматериалы обладают пластинчатыми структурами, боковой размер которых составляет> 100 нм, но толщина составляет всего один или несколько атомов. Специальная структура наделена своими поразительными свойствами, такими как короткие диффузионные расстояния, высокая удельная поверхность, превосходная электрическая проводимость, а также электрохимическая и термическая стабильность. В зависимости от состава эти материалы можно разделить на пять типов: неметаллическое соединение, элемент, металлическое соединение, соль и органическое соединение. Они крайне необходимы во многих частях литий-ионных батарей (аноды и катоды).

2D наноматериалы, действующие в качестве анодов, могут давать высокую теоретическую емкость. Популярными кандидатами являются композитные материалы на основе графена и графена, в том числе неметалл / графен, углеродные нанотрубки / графен, сульфид / графен, оксиды / графен переходных металлов и соли / графен. Кроме того, существуют другие типы 2D наноматериалов с достоинствами и недостатками. Например, MoS 2 демонстрирует хорошую емкость и меньшую стабильность при циклических нагрузках и пропускную способность. SnO 2 обладает легкодоступностью, низкой стоимостью и токсичностью, но фактическая емкость меньше теоретической. MXene обладает низким диффузионным барьером, хорошей электрической проводимостью, низким напряжением холостого хода и высокой емкостью лития, но производство должно быть дополнительно изучено для улучшения поверхностных функциональных групп.

Двухмерные наноматериалы, действующие в качестве катодов, обладают удивительно высокой теоретической емкостью, скоростью переноса электронов и превосходной структурной стабильностью. Они подразделяются на четыре категории: (1) V 2 O 5 с большей теоретической емкостью; (2) связанные с графеном материалы (LiFePO, модифицированный графеном 4 4, LiMn 2 O 4 LiCoO 2 и т. Д.) , которые улучшают циклические характеристики обычных катодных материалов; (3) Li 2 MSiO 4 с хорошей термостойкостью; (4) другие (ковалентные органические структуры), с отличной перезаряжаемостью. 2D наноматериалы с точки зрения их слоистой структуры могут быть легко сконструированы в гибкие литий-ионные аккумуляторы, в частности, графен и композитные материалы на основе графена. Это соответствует разработке портативных электронных продуктов.

Наконец, приведены точные катодные и анодные материалы и их соответствующие эффекты. Несмотря на большой спрос, все еще остается серьезной проблемой повышение производительности и контроль точной структуры двумерных наноматериалов. Этот обзор проложил путь к тому, чтобы показать недавний прогресс в исследованиях двумерных наноматериалов в литий-ионных батареях, решить эту задачу и спрогнозировать будущие исследования.

В настоящее время исследовательская группа анализирует синтез и сборку наноматериалов, а также использование наноматериалов в накопителях энергии и инженерии окружающей среды.

Тенг Ван, Чжиюань Хан и Линтонг Ли из Китайского нефтяного университета (Восточный Китай) и Синь Ву из Колорадской горной школы также являются соавторами этого исследования.

Это исследование было поддержано Фондом фундаментальных исследований для центральных университетов (# 18CX02158A).

Источник: https://www.worldscientific.com/

Source link