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Regolazione di nanomateriali bidimensionali per batterie agli ioni di litio

2022-05-07
A cura di Science China Press


Le batterie agli ioni di litio (LIB) sono dispositivi di accumulo di energia vantaggiosi grazie alla loro maggiore densità di energia specifica, minore autoscarica e minore effetto memoria. Tra i componenti delle batterie, i materiali degli elettrodi svolgono un ruolo chiave nel migliorare le proprietà elettrochimiche. Pertanto, lo sviluppo di materiali per elettrodi avanzati per LIB ad alte prestazioni è un obiettivo importante nei campi di ricerca correlati.

I nanomateriali bidimensionali (2-D), inclusi grafene, nanosheet di ossido di metallo di transizione (TMO), nanosheet di dichalcogenuro di metallo di transizione (TMD), ecc., sono composti da uno o più monostrati di atomi (o celle unitarie). Hanno proprietà fisiche e chimiche eccezionali in contrasto con le loro controparti sfuse. L'integrazione di nanomateriali 2-D con dispositivi di accumulo di energia potrebbe superare grandi sfide guidate dalla domanda globale di energia in continua crescita. Sfortunatamente, l'uso diretto di questi materiali simili a fogli è impegnativo a causa di una seria tendenza autoagglomerante, conduttività relativamente bassa e ovvi cambiamenti di volume su ripetuti cicli di carica-scarica.

In un nuovo documento di revisione pubblicato su National Science Review, gli scienziati australiani della Queensland University of Technology e dell'Università di Wollongong hanno riassunto i recenti progressi sulle strategie per migliorare le prestazioni di stoccaggio del litio dei nanomateriali 2-D. Si prevede che queste strategie per manipolare le strutture e le proprietà affronteranno le principali sfide per i nanomateriali avanzati nelle applicazioni di accumulo di energia. I coautori Jun Mei, Yuanwen Zhang, Ting Liao, Ziqi Sun e Shi Xue Dou hanno identificato tre strategie primarie: ibridazione con materiali conduttivi, funzionalizzazione superficie/bordo e ottimizzazione strutturale.

"La strategia di ibridazione è la più comune per i nanocompositi basati su TMO/TMD, in cui alcune nanostrutture conduttive, ad esempio nano-carbonio, nanotubi di carbonio (CNT), grafene, polimeri organici, nanoparticelle metalliche, ecc., vengono introdotte per ibridarsi con TMO/TMD nanosheet per migliorare la conduttività complessiva e accogliere l'espansione del volume di ossido di metallo o nanomateriali di solfuro durante i ripetuti cicli di carica/scarica", riferiscono i ricercatori.

"La seconda strategia è la funzionalizzazione bordo/superficie, che può essere ottenuta mediante drogaggio di atomi/ioni o ingegneria dei difetti ai bordi o sulle superfici dei nanomateriali 2-D. L'impianto di eteroatomi o ioni in nanomateriali 2-D aiuta a modulare la struttura elettronica, la reattività chimica di superficie o la spaziatura tra gli strati dei nanomateriali 2-D e migliora ulteriormente la capacità di immagazzinamento degli ioni di litio", scrivono. "La terza strategia di ottimizzazione della struttura viene spesso realizzata controllando alcuni parametri strutturali durante la fabbricazione, come lo spessore, le dimensioni, i pori o la morfologia della superficie, che hanno un impatto significativo sulle proprietà dipendenti dalla struttura e sulle prestazioni elettrochimiche e sono utili per alleviare l'inevitabile riposizionamento automatico e l'esposizione di siti più attivi".

Gli scienziati concludono: "Queste strategie efficaci per migliorare lo stoccaggio del litio dei nanomateriali 2-D saranno buoni punti di riferimento per scienziati e ricercatori nei settori correlati dei materiali, della chimica e delle nanotecnologie, che non vedono l'ora di sviluppare batterie ricaricabili di prossima generazione di qualità superiore batterie”.