(a sinistra) Immagini di mappatura elementare per nanotubi di carbonio incapsulati con fosforo con nanopori sulle pareti laterali. (a destra) Immagine dell'elettrone di trasmissione di un nanotubo di carbonio con nanopori sulle pareti laterali. Credito:Toyohashi University of Technology
I ricercatori della Toyohashi University of Technology hanno dimostrato le prestazioni elettrochimiche delle batterie agli ioni di litio (LIB) utilizzando elettrodi di nanotubi di carbonio incapsulati al fosforo, in cui il fosforo rosso ad alta capacità viene introdotto nella spaziatura interna dei nanotubi di carbonio (CNT). Gli elettrodi hanno indicato un miglioramento della reattività elettrochimica del fosforo rosso quando percorsi accessibili di ioni di litio, cioè., nanopori, si sono formati sulle pareti laterali dei CNT dove era incapsulato il fosforo rosso. Per di più, i profili di carica-scarica e l'analisi strutturale hanno rivelato reazioni elettrochimiche reversibili e la stabilità strutturale relativamente elevata del fosforo rosso nei nanotubi anche dopo il 50° ciclo di carica-scarica. Le capacità di carica-scarica mostrano un valore due volte o superiore a quello della grafite utilizzata nei LIB commerciali. Perciò, viene proposto un nuovo materiale per elettrodi per LIB ad alta capacità.
Il fosforo rosso ha attirato l'attenzione come materiale per elettrodi più capacitivo per LIB perché può fornire una capacità teorica circa sette volte superiore a quella della grafite utilizzata come materiale per elettrodi commerciale per LIB. Si pensa che la grande differenza di capacità sia dovuta a una quantità accettabile di ioni di litio nelle strutture della grafite per LiC 6 o fosforo per Li 3 P. Tuttavia, il fosforo rosso subisce enormi variazioni volumetriche, polverizzazione, e staccarsi durante i processi di inserimento ed estrazione degli ioni di litio, con conseguente rapido sbiadimento della capacità a causa della diminuzione della quantità di fosforo rosso elettrochimicamente reattivo. Inoltre, mentre gli elettroni si spostano sull'elettrodo durante l'inserimento/estrazione degli ioni di litio, il fosforo rosso ha uno svantaggio in termini di perdita di energia a causa della sua bassa conduttività elettronica.
Come mostrato in Fig. 1 (a sinistra), Tomohiro Tojo e i suoi colleghi del Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica dell'Informazione, Università di tecnologia di Toyohashi, hanno sintetizzato strutture uniche in cui il fosforo rosso è incapsulato nella spaziatura interna dei CNT per impedirne il distacco dall'elettrodo e migliorarne la conduttività elettronica. Per migliorare la reattività elettrochimica del fosforo rosso attraverso percorsi accessibili di ioni di litio, nanopori ( <5 nm) si sono formati anche sulle pareti laterali dei CNT incapsulati con fosforo come mostrato in Fig. 1 (a destra). Dopo l'incapsulamento del fosforo, La Fig. 1 (a sinistra) mostra che gli atomi di fosforo erano distribuiti all'interno dei nanotubi, confermando la stabilità strutturale del fosforo rosso.
(a sinistra) Queste sono le curve di carica-scarica per i nanotubi di carbonio incapsulati con fosforo con nanopori sulle pareti laterali. (a destra) Capacità di carica e scarica con un rapporto tra capacità di carica e scarica ad ogni ciclo (efficienza coulombiana). Credito:Toyohashi University of Technology
Utilizzando elettrodi CNT incapsulati al fosforo, una capacità reversibile mostrava circa 850 mAh/g al cinquantesimo ciclo di carica-scarica, come illustrato in Fig. 2 (a sinistra). Questo era un valore almeno due volte superiore a quello degli elettrodi di grafite. La Figura 2 (a destra) mostra il rapporto stimato tra capacità di carica e scarica (efficienza coulombiana) di> 99% dopo il decimo ciclo e i successivi cicli, che indica un'elevata reversibilità delle reazioni di carica-scarica sul fosforo rosso. Però, le capacità di carica-scarica diminuivano gradualmente all'aumentare del numero di cicli a causa della dissociazione di alcuni legami P-P e di altre reazioni collaterali sulla superficie del fosforo e dei CNT. interessante, il CNT incapsulato al fosforo con nanopori ha facilitato il significativo miglioramento delle prestazioni elettrochimiche rispetto al CNT incapsulato al fosforo senza nanopori. Si suggerisce che ciò sia dovuto all'elevata reattività del fosforo rosso con gli ioni di litio attraverso i nanopori sulle pareti laterali. Dopo i cicli di carica-scarica, è stato osservato che il fosforo rosso si trova all'interno dei nanotubi, come nel caso mostrato in Fig. 1 (a sinistra).
Abbiamo proposto CNT incapsulati con fosforo come materiale per elettrodi per LIB ad alta capacità, anche se sono necessari ulteriori miglioramenti nelle strutture per raggiungere il ciclismo a lungo termine senza sbiadire la capacità. Ulteriori studi saranno effettuati sull'utilizzo di tali elettrodi.
