Pak et elektrodemateriale til Li-ion-batteriet ind i den indvendige afstand af carbonnanorør

Forskere ved Toyohashi University of Technology har demonstreret den elektrokemiske ydeevne af lithium-ion-batterier (LIB'er) ved hjælp af fosfor-indkapslede kulstof-nanorør-elektroder, hvor rødt fosfor med høj kapacitet indføres i den indre afstand af kulstofnanorør (CNT'er). Elektroderne indikerede en forbedring i den elektrokemiske reaktivitet af rødt fosfor, når tilgængelige veje for lithiumioner, dvs. nanoporer, blev dannet på sidevæggene af CNT'erne, hvor det røde fosfor blev indkapslet. Desuden, ladnings-afladningsprofilerne og strukturanalysen afslørede reversible elektrokemiske reaktioner og den relativt høje strukturelle stabilitet af rødt fosfor i nanorørene selv efter den 50. ladnings-afladningscyklus. Ladnings-afladningskapaciteten viser en værdi, der er to gange eller højere end den for grafit, der anvendes i kommercielle LIB'er. Derfor, der foreslås et nyt elektrodemateriale til LIB'er med høj kapacitet.

Rødt fosfor har tiltrukket sig opmærksomhed som et højere kapacitivt elektrodemateriale til LIB'er, fordi det kan levere en teoretisk kapacitet cirka syv gange højere end grafit anvendt som et kommercielt elektrodemateriale til LIB'er. Den store forskel i kapaciteten menes at skyldes en acceptabel mængde lithiumioner i grafitstrukturerne for LiC ₆ eller fosfor for Li ₃ P. Imidlertid, rødt fosfor lider af enorme volumetriske ændringer, pulverisering, og afskalning under lithiumion-indsættelse og ekstraktionsprocesser, resulterer i hurtig kapacitetsfading på grund af faldet i mængden af ​​elektrokemisk reaktivt rødt fosfor. Derudover mens elektroner bevæger sig ind på elektroden under lithium ion indsættelse/ekstraktion, rødt fosfor har en ulempe i form af energitab på grund af dets lave elektroniske ledningsevne.

Som vist i fig. 1 (venstre), Tomohiro Tojo og hans kolleger ved Institut for elektrisk og elektronisk informationsteknik, Toyohashi University of Technology, har syntetiseret unikke strukturer, hvor rødt fosfor er indkapslet i det indre mellemrum af CNT'er for at forhindre dets afskalning fra elektroden og forbedre dets elektroniske ledningsevne. For at forbedre den elektrokemiske reaktivitet af rødt fosfor gennem tilgængelige veje for lithiumioner, nanoporer ( <5 nm) blev også dannet på sidevæggene af de phosphor-indkapslede CNT'er som vist i fig. 1 (højre). Efter fosforindkapsling, Fig. 1 (til venstre) viser, at fosforatomerne var fordelt inde i nanorørene, bekræfter den strukturelle stabilitet af rødt fosfor.

Ved hjælp af fosforindkapslede CNT-elektroder, en reversibel kapacitet viste ca. 850 mAh/g ved den halvtredsindstyvende opladnings-afladningscyklus, som afbildet i fig. 2 (venstre). Dette var en værdi, der var mindst to gange højere end værdien for grafitelektroder. Figur 2 (højre) viser det estimerede forhold mellem ladnings- og afladningskapaciteter (coulombiske effektiviteter) på> 99 % efter den tiende cyklus og de efterfølgende cyklusser, hvilket indikerer en høj reversibilitet af ladnings-udladningsreaktioner på rødt fosfor. Imidlertid, ladnings-afladningskapaciteten faldt gradvist med stigende cyklusantal på grund af dissociationen af ​​nogle P-P-bindinger og andre sidereaktioner på overfladen af ​​fosfor og CNT'erne. Interessant nok, den fosforindkapslede CNT med nanoporer lettede den betydelige forbedring i elektrokemisk ydeevne sammenlignet med den fosforindkapslede CNT uden nanoporer. Dette foreslås at skyldes den høje reaktivitet af rødt fosfor med lithiumioner gennem nanoporerne på sidevæggene. Efter opladnings-afladningscyklusserne, rødt fosfor blev observeret at være inde i nanorørene, som det er tilfældet vist i fig. 1 (venstre).

Vi har foreslået fosforindkapslede CNT'er som et elektrodemateriale til LIB'er med høj kapacitet, selvom der kræves yderligere forbedringer i strukturerne for at opnå langsigtet cykling uden at kapaciteten falmer. Der vil blive udført yderligere undersøgelser af anvendelsen af ​​sådanne elektroder.