Три

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 16002 (2022 г.) Цитировать эту статью

2280 Доступов

5 цитат

8 Альтметрика

Подробности о метриках

Трехмерно структурированные кремний(Si)-углеродные (C) нанокомпозиты имеют большой потенциал в качестве анодов в литий-ионных батареях (ЛИА). Здесь мы сообщаем о композите графен, инкапсулированный азотом, наночастицы кремния и углеродное нановолокно (NG/C@Si/CNF), полученном методами модификации поверхности, электростатической самосборки, сшивания с термической обработкой и дальнейшей карбонизации. в качестве потенциального высокопроизводительного анода для ЛИА. Матрица C, легированная N, обернутая вокруг наночастиц Si, улучшила электропроводность композитов и амортизировала изменение объема наночастиц Si во время литиирования/делитиирования. Равномерно диспергированные УНВ в композитах действуют как проводящие сети для быстрого транспорта ионов и электронов. Весь плотно связанный органический материал NG/C@Si и CNF предотвращал дробление и осыпание частиц и сохранял целостность структуры электрода. Композит NG/C@Si/CNF показал лучшие скоростные и циклические характеристики по сравнению с другими электродными материалами. После 100 циклов электрод сохранял высокую обратимую удельную емкость 1371,4 мАч/г.

Экологические проблемы, вызванные глобальным потеплением, создают серьезную угрозу нашему выживанию. Наиболее важным фактором, приводящим к глобальному потеплению, являются массовые выбросы загрязняющих веществ, таких как углекислый газ. Основными источниками выбросов углерода (C) являются сжигание и транспортировка ископаемого топлива. Поэтому устойчивое развитие новых энергетических технологий является актуальной темой исследований1,2,3. Литий-ионные аккумуляторные батареи (LIB) являются многообещающими кандидатами для хранения энергии в электрических/гибридных транспортных средствах и портативных электронных устройствах из-за их высокой плотности энергии, широкого рабочего напряжения, низкого саморазряда, большой выходной мощности, высокой емкость хранения, хорошая производительность цикла и экологическая совместимость. Для удовлетворения растущего спроса на оборудование для хранения энергии разработка LIB с более высокой плотностью энергии и производительностью цикла стала более важной4,5,6. Среди различных анодных материалов кремний (Si) является одним из наиболее перспективных материалов благодаря своей высокой теоретической удельной емкости (~ 4200 мАч г-1), низкому рабочему потенциалу (~ 0,4 В по сравнению с Li/Li+), распространенности, невысокой цене. и экологическая безопасность. Si стал заменой традиционных анодных материалов на основе графита с теоретической емкостью 372 мАч г-17,8,9. Однако практическое применение материалов на основе Si в коммерческих ЛИА сталкивается с рядом проблем. Низкая проводимость материалов на основе Si приводит к плохой производительности электрода. Изменение объема (~300%) частиц Si в течение цикла приводит к тому, что материал электрода разбивается, отваливается и теряет электронный контакт с токосъемником. Это приводит к быстрому снижению емкости аккумулятора, сокращению срока службы и повреждению элементов аккумулятора. Наконец, типичный электролит образует границу раздела твердого электролита (SEI) на поверхности Si при потенциале <1 В. Во время изменения объема SEI может треснуть и обнажить частицы Si; таким образом, на открытой поверхности Si образуется больше SEI. Пленка SEI непрерывно увеличивает общую толщину слоя частиц Si и быстро заполняет отверстия электродов, предотвращая передачу ионов лития и электронов. Это приводит к увеличению и уменьшению импеданса и проводимости соответственно, что влияет на циклическую стабильность батареи10,11,12,13.

Чтобы решить вышеупомянутые проблемы, наночастицы Si были покрыты/инкапсулированы материалами на основе C (например, аморфным C из различных предшественников C, графеном (G), C нанотрубками и углеродными нановолокнами (CNF) с высокой прочностью графитизации)14. ,15,16. Наночастицы Si могут сократить расстояние пути передачи Li+ и поддерживать изменение объема в течение цикла. Инертная/активная матрица может действовать как буферный слой с высокой проводимостью и высокой механической прочностью, что повышает структурную стабильность и проводимость. Недавно G был признан высокоэффективным материалом покрытия при изготовлении ЛИА благодаря его уникальным свойствам, таким как высокая электропроводность, химическая стабильность, высокая термическая стабильность, превосходная механическая гибкость и высокая теоретическая площадь поверхности. Он имеет потенциальное применение в хранении энергии. Композиционные материалы Si/C на основе G могут смягчить изменение объема наночастиц Si и сформировать стабильную пленку SEI. Это также может улучшить электропроводность и эффективность хранения лития наночастиц Si. Кроме того, пустоты, созданные вакансионными дефектами в G, открывают каналы для передачи ионов, увеличивают проницаемость G для ионов и улучшают коэффициент диффузии ионов и реакционную способность. Легирующие дефекты и вакансии усиливают взаимодействие адсорбированных атомов с G17,18. Оксид графена (ГО) является наиболее распространенным предшественником G, используемым при синтезе G-нанокомпозитов. Восстановленный GO, легированный атомами азота (N), может эффективно улучшить физические и электрохимические свойства G. Roshni Yadav et al. рассмотрел синтез, характеристику и потенциальное применение легированного N G19. Когда атом N легирован в G, наблюдаются три общие конфигурации связей в решетке C, включая четвертичный N (или графитовый N), пиридиновый N и пиррольный N. Обычно пиридин N связывается с двумя атомами C на краях или дефектах графена и вносит p-электрон в π-систему. Пиррол N означает, что атом N вносит два p-электрона в π-систему и без необходимости связан с пятичленным кольцом (например, пирролом). Четвертичный N — это атом N, который заменяет атом C в гексагональном кольце. Пиридин N и четвертичный N подвергаются sp2-гибридизации, а пиррол N - sp3-гибридизации. Графит N, пиридин N и пиррол N улучшают проводимость материала, определяют электрохимическую активность и улучшают перенос заряда соответственно20,21,22,23. Исследования показали, что атомы N с двумя неподеленными электронами более электроотрицательны, чем атомы C. Следовательно, электронная плотность углерода, легированного N, становится меньше с увеличением электрохимической активности. Из-за электроотрицательности N, N неподеленной пары электронов гибридизуются с системой G π. В плоскости графита между неподеленной парой N-электронов и π-электронами G образуется сопряжение ap – π, что улучшает способность переноса заряда G, легированного N; тем самым увеличивая проводимость24,25,26.