Regulering af todimensionelle nanomaterialer til lithium-ion-batterier

Li-ion-batterier (LIB'er) er fordelagtige energilagringsenheder på grund af deres højere specifikke energitæthed, lavere selvafladning, og lavere hukommelseseffekt. Blandt komponenterne i batterier, elektrodematerialer spiller en nøglerolle i at forbedre de elektrokemiske egenskaber. Dermed, udviklingen af ​​avancerede elektrodematerialer til højtydende LIB'er er et hovedmål inden for relaterede forskningsområder.

Todimensionelle (2-D) nanomaterialer, inklusive grafen, overgangsmetaloxid (TMO) nanoplader, overgangsmetal dichalcogenid (TMD) nanoplader, etc., er sammensat af et eller flere monolag af atomer (eller enhedsceller). De har fremragende fysiske og kemiske egenskaber i modsætning til deres bulk modstykker. Integrationen af ​​2-D nanomaterialer med energilagringsenheder kan overvinde store udfordringer drevet af stadigt voksende globale energibehov. Desværre, den direkte brug af disse arklignende materialer er udfordrende på grund af en alvorlig selvagglomererende tendens, relativt lav ledningsevne, og tydelige volumenændringer over gentagne opladnings-afladningscyklusser.

I en ny anmeldelsesartikel offentliggjort i National Science Review , forskere fra Australien ved Queensland University of Technology og University of Wollongong opsummerede de seneste fremskridt med strategierne til at forbedre lithiumlagringsydelsen af ​​2-D nanomaterialer. Disse strategier til at manipulere strukturerne og egenskaberne forventes at imødekomme de store udfordringer for avancerede nanomaterialer i energilagringsapplikationer. Medforfattere Jun Mei, Yuanwen Zhang, Ting Liao, Ziqi Sun og Shi Xue Dou identificerede tre primære strategier:hybridisering med ledende materialer, overflade/kant funktionalisering, og strukturel optimering.

"Hybridiseringsstrategien er den mest almindelige for TMO'er/TMD'er-baserede nanokompositter, hvor nogle ledende nanostrukturer, f.eks. nano-carbon, kulstof nanorør (CNT'er), grafen, organiske polymerer, metalliske nanopartikler, etc., introduceres for at hybridisere med TMO/TMD nanoplader for at forbedre den overordnede ledningsevne og rumme volumenudvidelsen af ​​metaloxid- eller sulfidnanomaterialer under de gentagne opladnings-/afladningscyklusser, " rapporterer forskerne.

"Den anden strategi er kant/overflade funktionalisering, hvilket kan opnås ved atom/ion-doping eller defektteknik ved kanterne eller på overfladerne af 2-D nanomaterialerne. Implantationen af ​​heteroatomer eller ioner i 2-D nanomaterialer hjælper med at modulere den elektroniske struktur, overfladens kemiske reaktivitet, eller mellemlagsafstanden mellem 2-D nanomaterialer, og forbedrer lithiumion-lagringskapaciteten yderligere, " skriver de. "Den tredje strategi for strukturoptimering realiseres ofte ved at kontrollere nogle strukturelle parametre under fremstillingen, såsom tykkelse, størrelse, porer, eller overflademorfologi, som har væsentlig indvirkning på de strukturafhængige egenskaber og den elektrokemiske ydeevne, og er gavnlige til at lindre den uundgåelige selv-genopbygning og afsløre mere aktive websteder."

Forskerne konkluderer, "Disse effektive strategier til at forbedre lithiumlagringen af ​​2-D nanomaterialer vil være gode referencepunkter for videnskabsmænd og forskere inden for de beslægtede områder af materialer, kemi, og nanoteknologi, som ser frem til at udvikle overlegne næste generation genopladelige batterier".