Ny anvendelse af jernholdige nanofibre af kulstof giver højtydende energilagring

En ny undersøgelse af kinesiske forskere viser en ny tilgang til at forbedre lagringsydelsen af ​​batterier og kondensatorer. Forskerne udviklede en enkel, men effektiv måde at fremstille et materiale med fremragende ydeevne til brug i enheder, der er afhængige af lithium-ion-lagring.

De offentliggjorde deres resultater i Nano Research den 1. april.

Hvorfor lithium?

Energilagringsteknologier bliver stadig vigtigere, efterhånden som verden skifter mod CO2-neutralitet og søger at elektrificere bilindustrien og vedvarende energisektoren yderligere. Lithium-ion-teknologi er afgørende for at drive dette skift.

"Blandt alle de tilgængelige kandidater kan energilagringsenhederne, der anvender lithiumlagringskemi, såsom lithium-ion-batterier og lithium-ion-kondensatorer, levere den bedste ydeevne på nuværende tidspunkt," siger undersøgelsesforfatter Han Hu, en forsker ved instituttet af New Energy, China University of Petroleum.

Anvendelsen af ​​lithium-ion-teknologi til energilagring er dog begrænset af dens effektivitet i forhold til størrelse. En undersøgelse fra 2021, citeret af forfatterne, hævder, at for at forbedre elbilers konkurrenceevne skal lithium-ion-batterier blive mere effektive med både vægt og volumen. Yderligere forbedring af lagerkapaciteten kan derfor være nøglen til at nå målene for CO2-neutralitet, hvilket gør forskning i lithium-ion-batterier og kondensatorydelser via brug af nye materialer af afgørende betydning.

Opbygning af et nyt materiale

Kulholdige materialer doteret med nitrogen er det nuværende dominerende valg i lithium-akkumulatorer og kondensatorer, med elektron- og ionoverførsel de grundlæggende processer for elektrokemisk energilagring. Men fordi kulstofholdige materialer er upolære - med ladninger fordelt ligeligt over deres molekyler - det ladede lithium (Li ⁺ ) klæber ikke let til materialerne på trods af dens umættede konfiguration, der giver den passende bindingsenergi.

Forskerne snørede derfor kulstofnanofibre med jern (Fe) for at regulere deres overfladekemi for at lette øget elektron- og ionoverførsel. Ved hjælp af elektrospinning producerede de en række kulstof nanofiberprøver med Fe-indhold. De evaluerede derefter Li ⁺ opbevaringsydelsen af ​​prøverne ved hjælp af en række elektrokemiske testmetoder. Scanning and transmission electron microscopy revealed a 3D interconnected network of smooth fibers with no clumps of iron particles, indicating that they were well dispersed.

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. + Udforsk yderligere

Eliminating the bottlenecks in performance of lithium-sulfur batteries