Immagini al microscopio elettronico a scansione (SEM) di particelle composite Sn4P3/C (1a riga:1a immagine), e superficie del film composito Sn4P3/C fabbricato con il processo AD (1a riga:3a immagine). Distribuzioni elementari corrispondenti per Sn, P, e C sono anche mostrati. Credito:(c) Università di tecnologia di Toyohashi. Tutti i diritti riservati.
I ricercatori della Toyohashi University of Technology hanno fabbricato con successo un fosfuro di stagno senza legante (Sn 4 P 3 )/carbonio (C) elettrodo a film composito per batterie agli ioni di litio tramite deposizione aerosol. il Sn 4 P 3 /C le particelle sono state solidificate direttamente su un substrato metallico tramite consolidamento per impatto, senza applicare un legante. Le stabilità del ciclo di carica e scarica sono state migliorate sia dal carbonio complessato che dalla finestra di potenziale elettrico controllato per l'estrazione del litio. Questa scoperta potrebbe aiutare a realizzare batterie agli ioni di litio avanzate di capacità maggiore.
Le batterie agli ioni di litio (Li-ion) sono ampiamente utilizzate come fonte di alimentazione nei dispositivi elettronici portatili. Recentemente hanno attirato una notevole attenzione a causa del loro potenziale per essere impiegati su larga scala come fonte di energia per veicoli elettrici e veicoli elettrici ibridi plug-in, e come sistemi stazionari di accumulo di energia per l'energia rinnovabile. Per realizzare batterie agli ioni di litio avanzate con una maggiore densità di energia, sono richiesti materiali anodici con capacità maggiore. Sebbene alcune leghe di Li come Li-Si e Li-Sn, la cui capacità teorica è molto superiore a quella della grafite (capacità gravimetrica teorica =372 mAh/g), sono stati ampiamente studiati, generalmente determinano una scarsa stabilità del ciclo a causa della grande variazione di volume durante le reazioni di carica e scarica.
Fosfuro di stagno (Sn 4 P 3 , portata gravimetrica teorica =1255 mAh/g) con struttura a strati, generalmente utilizzato come materiale anodico a base di lega ad alta capacità per batterie agli ioni di litio, ha un potenziale operativo medio di - 0,5 V rispetto a Li/Li + . I rapporti indicano che la complessazione di materiali in carbonio con Sn . nanostrutturato 4 P 3 le particelle migliorano significativamente la stabilità del ciclismo. In genere, gli elettrodi utilizzati nelle batterie sono fabbricati rivestendo un impasto liquido comprendente materiali elettrodici attivi, additivi conduttivi al carbonio, e leganti su lamine metalliche. Per carbonio complessato Sn 4 P 3 (Sn 4 P 3 /C) anodi (come quelli riportati in letteratura), la frazione in peso dei materiali attivi in un elettrodo è diminuita di circa il 60 - 70 % a causa dell'uso di quantità significative di additivi e leganti conduttivi per ottenere un ciclo stabile. Di conseguenza, la capacità specifica gravimetrica per peso dell'elettrodo (compresi quelli di additivi e leganti di carbonio conduttivo) è significativamente ridotta.
Performance ciclistica di Sn 4 P 3 e Sn 4 P 3 /C film compositi per diversi contenuti di carbonio (a sinistra) in una cella a due elettrodi con metallo Li come controelettrodo. Il test di ciclo è stato eseguito a finestre di tensione della cella che vanno da 0 V a 2,5 V. Immagini SEM di Sn 4 P 3 /C superficie del film composito dopo il 1 ° (al centro) e 100 ns sono mostrati anche i cicli (a destra). Credito:(c) Università di tecnologia di Toyohashi. Tutti i diritti riservati.
Ricercatori presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica dell'Informazione, Università di tecnologia di Toyohashi, hanno fabbricato con successo uno Sn . senza legante 4 P 3 /C Elettrodo a film composito per anodi di batterie agli ioni di litio tramite deposizione di aerosol (AD). In questo processo, il Sn 4 P 3 le particelle sono complessate con nero di acetilene utilizzando un semplice metodo di macinazione a sfere; lo Sn . ottenuto 4 P 3 Le particelle /C vengono quindi solidificate direttamente su un substrato metallico tramite consolidamento per impatto senza l'aggiunta di altri additivi o leganti conduttivi. Questo metodo consente di aumentare la frazione di Sn 4 P 3 nel composito oltre l'80%. Per di più, il cambiamento strutturale dell'elettrodo composito è ridotto e la stabilità del ciclo è migliorata sia per il carbonio complessato che per la finestra di potenziale elettrico controllato per la reazione di estrazione del litio. il Sn 4 P 3 Il film composito /C fabbricato dal processo AD mantiene capacità gravimetriche di circa 730 mAh g -1 , 500 mAh g -1 , e 400 mAh g -1 a 100 ns , 200 ns , e 400 ns cicli, rispettivamente.
Il primo autore Toki Moritaka è citato come dicendo, "Sebbene sia stato difficile ottimizzare le condizioni di deposizione, informazioni utili sul miglioramento della stabilità ciclistica del Sn 4 P 3 /C è stato ottenuto un elettrodo a film composito fabbricato con il processo AD. Il carbonio complessato funziona non solo come tampone per sopprimere il collasso degli elettrodi causato dalla grande variazione di volume di Sn 4 P 3 , ma anche come percorso di conduzione elettronica tra le particelle di materiale attivo atomizzato nel composito."
Prestazioni cicliche a lungo termine dei film compositi Sn4P3/C a diverse finestre di tensione della cella che vanno da 0 V a 0,75 V, e quello da 1 V ea 1,25 V (sinistra). Sono mostrate anche le immagini SEM delle superfici del film composito Sn4P3/C ciclate a 0 V-0,75 V (al centro) e quella a 0 V-1,25 V (a destra). Credito:(c) Università di tecnologia di Toyohashi.
"Questo processo è un mezzo efficace per aumentare il valore della capacità per peso dell'elettrodo. Riteniamo che ci siano margini di miglioramento delle prestazioni elettrochimiche in base alle dimensioni e al contenuto di carbonio in Sn 4 P 3 /C utilizzato nella fabbricazione di film compositi mediante il processo AD. Ora stiamo cercando di ottimizzare il contenuto di carbonio complessato e aumentare lo spessore del film composito, " cita il Professore Associato Ryoji Inada.
I risultati di questo studio possono contribuire alla realizzazione di batterie agli ioni di litio avanzate di maggiore capacità. Inoltre, perché non solo Li ma anche Na possono essere immagazzinati ed estratti da Sn 4 P 3 da reazioni di lega e dealligazione simili, il Sn 4 P 3 l'elettrodo può essere impiegato nelle batterie agli ioni di Na di nuova generazione a costi molto inferiori.
