Un nuovo studio condotto da ricercatori cinesi dimostra un nuovo approccio per migliorare le prestazioni di stoccaggio di batterie e condensatori. I ricercatori hanno sviluppato un modo semplice ma efficiente per produrre un materiale con prestazioni eccellenti da utilizzare in dispositivi che si basano sull'accumulo di ioni di litio.

Hanno pubblicato i loro risultati in Nano Research il 1 aprile.

Perché il litio?

Le tecnologie di accumulo di energia sono sempre più importanti man mano che il mondo si sposta verso la neutralità del carbonio, cercando di elettrificare ulteriormente i settori automobilistico e delle energie rinnovabili. La tecnologia agli ioni di litio è fondamentale per alimentare questo cambiamento.

"Tra tutti i candidati disponibili, i dispositivi di accumulo di energia che utilizzano la chimica di accumulo del litio, come batterie agli ioni di litio e condensatori agli ioni di litio, potrebbero fornire le migliori prestazioni nella fase attuale", afferma l'autore dello studio Han Hu, ricercatore dell'Istituto di New Energy, China University of Petroleum.

Tuttavia, l'utilizzo della tecnologia agli ioni di litio nell'accumulo di energia è limitato dalla sua efficienza rispetto alle dimensioni. Uno studio del 2021 citato dagli autori afferma che per migliorare la competitività sul mercato dei veicoli elettrici le batterie agli ioni di litio devono diventare più efficienti sia in termini di peso che di volume. Un ulteriore miglioramento della capacità di stoccaggio può, quindi, essere fondamentale per raggiungere gli obiettivi di neutralità del carbonio, rendendo la ricerca sulle prestazioni delle batterie agli ioni di litio e dei condensatori tramite l'uso di nuovi materiali di fondamentale importanza.

Costruire un nuovo materiale

I materiali carboniosi drogati con azoto sono l'attuale scelta dominante negli accumulatori e nei condensatori al litio, con trasferimento di elettroni e ioni i processi fondamentali per l'accumulo di energia elettrochimica. Tuttavia, poiché i materiali carboniosi non sono polari, con cariche distribuite equamente tra le loro molecole, il litio carico (Li ⁺ ) non aderisce facilmente ai materiali, nonostante la sua configurazione insatura che gli conferisce un'adeguata energia di adesione.

I ricercatori, quindi, hanno intrecciato nanofibre di carbonio con ferro (Fe) per regolare la loro chimica di superficie e facilitare un maggiore trasferimento di elettroni e ioni. Utilizzando l'elettrofilatura, hanno prodotto una serie di campioni di nanofibra di carbonio con contenuto di Fe. Hanno quindi valutato il Li ⁺ prestazioni di conservazione dei campioni utilizzando una varietà di metodi di prova elettrochimici. La microscopia elettronica a scansione e trasmissione ha rivelato una rete interconnessa 3D di fibre lisce senza grumi di particelle di ferro, indicando che erano ben disperse.

The results revealed that adding atomic Fe changed the electronic structure of the carbon materials to promote more electrical conductivity as well as reduce the diffusion resistance of the Li ⁺ . The researchers explain that the electrochemical performance was enhanced mainly through a synergistic effect of the atomic Fe and the formation of an Fe-N bond that exposed more active sties to which Li ⁺ could adhere. The outcome was improvement in lithium storage performance. The manufactured anode delivered sustained electric power through 5000 cycles of high current density, providing both high energy and large power density. Its interlaced fiber structure conferred structural stability and improved conductivity.

Study author Yanan Li, also a researcher at the China University of Petroleum, explains how the materials conformation pioneered in this study "achieved kinetically accelerated Li ⁺ storage and decent performance at high mass loadings," using "a simple method to produce atomic Fe decorated carbon nanofibers."

Looking forward

The study authors emphasize that the use of carbon nanofibers could bridge the gap between basic research and practical applications. They anticipate adoption of the novel material for use in a range of energy storage devices. "The electrospun carbon nanofiber mats are highly flexible, suggesting their possibility of constructing flexible and wearable energy storage devices," says Hu. The carbon nanofiber mats would serve as the electrodes. Also, say the researchers, they aim to explore the use of other single atom metals sodium, potassium, and zinc for augmenting storage of electrochemical energy. + Esplora ulteriormente

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