I materiali stratificati hanno attirato molta attenzione come promettenti materiali per elettrodi per vari sistemi di accumulo di energia, tra cui batterie e supercondensatori. Questi materiali sono caratterizzati dalle loro strutture bidimensionali uniche, costituite da strati sovrapposti con siti di intercalazione tra di loro. Le molecole d’acqua, a causa delle loro piccole dimensioni, polarità e capacità di formare legami idrogeno, possono intercalarsi efficacemente in queste strutture stratificate e avere un impatto significativo sulla capacità di stoccaggio degli ioni dei materiali. Ecco come l'incorporazione dell'acqua può influenzare l'immagazzinamento degli ioni:

1. Pseudocapacità di intercalazione:le molecole d'acqua possono intercalarsi negli spazi interstrato di materiali stratificati e partecipare all'accumulo di carica attraverso un processo noto come pseudocapacità di intercalazione. Durante il processo di carica, le molecole d'acqua subiscono reazioni redox faradaiche sulla superficie dell'elettrodo, contribuendo alla capacità complessiva del materiale.

2. Conduttività ionica migliorata:l'intercalazione delle molecole d'acqua può migliorare significativamente la conduttività ionica dei materiali stratificati. Le molecole d'acqua, essendo polari, facilitano il movimento degli ioni all'interno della struttura dell'elettrodo. Questo trasporto ionico migliorato consente un trasferimento di carica più rapido e riduce la resistenza interna dell'elettrodo, con conseguente migliore capacità di velocità e densità di potenza.

3. Modifica strutturale:la presenza di molecole d'acqua può indurre cambiamenti strutturali o transizioni di fase nei materiali stratificati. Queste modifiche strutturali possono creare ulteriori siti attivi per l'intercalazione ionica e migliorare l'accessibilità della superficie dell'elettrodo agli ioni elettroliti.

4. Effetti di solvatazione:le molecole d'acqua possono solvatare gli ioni nell'elettrolita, riducendo le loro interazioni elettrostatiche e facilitandone il trasporto. Questo effetto di solvatazione aumenta la mobilità ionica e migliora la cinetica di diffusione degli ioni all'interno del materiale dell'elettrodo.

5. Reazioni faradaiche pseudocapacitive:in alcuni materiali stratificati, le molecole d'acqua possono partecipare a reazioni faradaiche pseudocapacitive, contribuendo alla capacità complessiva di accumulo di carica. Queste reazioni comportano l'ossidazione e la riduzione delle molecole d'acqua, portando a ulteriori contributi pseudocapacitivi.

Tuttavia, è importante notare che l'incorporazione di acqua può comportare anche alcuni inconvenienti, come il degrado degli elettrodi dovuto all'instabilità strutturale o la decomposizione dell'elettrolita. Pertanto, sono necessarie un’attenta considerazione e ottimizzazione per bilanciare gli effetti positivi e negativi dell’incorporazione di acqua nei materiali stratificati per applicazioni di stoccaggio ionico.