Le batterie agli ioni di litio (LIB) sono dispositivi di accumulo di energia vantaggiosi grazie alla loro maggiore densità di energia specifica, minor autoscarica, e minore effetto memoria. Tra i componenti delle batterie, i materiali degli elettrodi svolgono un ruolo chiave nel migliorare le proprietà elettrochimiche. Così, lo sviluppo di materiali elettrodici avanzati per LIB ad alte prestazioni è un obiettivo importante nei campi di ricerca correlati.

Nanomateriali bidimensionali (2-D), compreso il grafene, nanofogli di ossido di metallo di transizione (TMO), nanofogli di dicalcogenuro di metallo di transizione (TMD), eccetera., sono composti da uno o più monostrati di atomi (o celle unitarie). Hanno proprietà fisiche e chimiche eccezionali in contrasto con le loro controparti sfuse. L'integrazione di nanomateriali 2-D con dispositivi di accumulo di energia potrebbe superare le principali sfide poste dalla domanda energetica globale in continua crescita. Sfortunatamente, l'uso diretto di questi materiali lastriformi è impegnativo a causa di una grave tendenza all'autoagglomerazione, conduttività relativamente bassa, e ovvie variazioni di volume nel corso di ripetuti cicli di carica-scarica.

In un nuovo articolo di revisione pubblicato su Rassegna scientifica nazionale , scienziati australiani della Queensland University of Technology e dell'Università di Wollongong hanno riassunto i recenti progressi sulle strategie per migliorare le prestazioni di stoccaggio del litio dei nanomateriali 2-D. Si prevede che queste strategie per manipolare le strutture e le proprietà affronteranno le principali sfide per i nanomateriali avanzati nelle applicazioni di accumulo di energia. Co-autori Jun Mei, Yuanwen Zhang, Ting Liao, Ziqi Sun e Shi Xue Dou hanno identificato tre strategie primarie:ibridazione con materiali conduttivi, funzionalizzazione superficie/bordo, e ottimizzazione strutturale.

"La strategia dell'ibridazione è la più comune per i nanocompositi basati su TMO/TMD, in cui alcune nanostrutture conduttive, per esempio. nanocarbonio, nanotubi di carbonio (CNT), grafene, polimeri organici, nanoparticelle metalliche, eccetera., vengono introdotti per ibridare con nanofogli TMO/TMD per migliorare la conduttività complessiva e adattarsi all'espansione del volume di ossido metallico o nanomateriali di solfuro durante i ripetuti cicli di carica/scarica, " riferiscono i ricercatori.

"La seconda strategia è la funzionalizzazione bordo/superficie, che può essere ottenuto mediante drogaggio di atomi/ioni o ingegneria dei difetti ai bordi o sulle superfici dei nanomateriali 2-D. L'impianto di eteroatomi o ioni in nanomateriali 2-D aiuta a modulare la struttura elettronica, la reattività chimica superficiale, o la spaziatura tra gli strati dei nanomateriali 2-D, e migliora ulteriormente la capacità di stoccaggio degli ioni di litio, " scrivono. "La terza strategia di ottimizzazione della struttura è spesso realizzata controllando alcuni parametri strutturali durante la fabbricazione, come spessore, dimensione, pori, o morfologia superficiale, che hanno impatti significativi sulle proprietà dipendenti dalla struttura e sulle prestazioni elettrochimiche, e sono utili per alleviare l'inevitabile auto-riempimento e per esporre i siti più attivi."

Gli scienziati concludono, "Queste strategie efficaci per migliorare lo stoccaggio del litio dei nanomateriali 2-D saranno buoni punti di riferimento per scienziati e ricercatori nei campi correlati dei materiali, chimica, e nanotecnologie, che non vedono l'ora di sviluppare batterie ricaricabili di nuova generazione".