Het antwoord staat in de sheets: 2D nanosheets als anodes in Li-ion batterijen

Naarmate de sector van elektrische voertuigen (EV) vordert, nemen ook de inspanningen in het onderzoek en de ontwikkeling van superieure lithium (Li)-ionbatterijen toe om deze voertuigen van stroom te voorzien. Het verkennen en uitbreiden van de technologie voor snel laden en ontladen en een langere levensduur van de batterij zijn cruciale uitdagingen in hun ontwikkeling. Een paar factoren, zoals de diffusie van Li-ionen, kenmerken van de elektrode-elektrolyt-interface en de porositeit van de elektrode, kunnen helpen om deze problemen op te lossen door extreem snel opladen en een ultralange levensduur te bereiken.

In de afgelopen jaren zijn tweedimensionale (2D) nanomaterialen, dunne plaatachtige structuren met een dikte van enkele nanometers, naar voren gekomen als potentiële anodematerialen voor Li-ionbatterijen. Deze nanosheets hebben een hoge aspectverhouding en een hoge dichtheid van actieve sites, wat snel opladen en superieure fietsprestaties mogelijk maakt. Met name 2D-nanomaterialen op basis van overgangsmetaaldiboriden (of TMD’s) hebben de interesse van onderzoekers gewekt. Er is gevonden dat TMD’s een hoge snelheid en lange cyclusstabiliteit hebben voor opslag van Li-ionen, dankzij hun honingraatvlakken van boor en multivalente overgangsmetaalatomen.

Onlangs heeft een groep wetenschappers onder leiding van prof. Noriyoshi Matsumi van het Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) en prof. Kabeer Jasuja van het Indian Institite of Technology (IIT) Gandhinagar het potentieel van TMD’s voor energie verder onderzocht. opslag.

Het team voerde de eerste experimentele studie uit naar het opslagpotentieel van titaniumdiboride (TiB₂)-gebaseerde hiërarchische nanosheets (THNS) als anodemateriaal voor Li-ionbatterijen. Het team bestond uit Rajashekar Badam, voormalig hoofddocent bij JAIST; Akash Varma, voormalig MS Cursusstudent bij JAIST; Koichi Higashimine, technisch specialist bij JAIST en Asha Liza James, Ph.D. Student aan IIT Gandhinagar. Hun studie werd gepubliceerd in ACS toegepaste nanomaterialen.

De THNS zijn ontwikkeld door TiB . te oxideren₂ poeder met waterstofperoxide, gevolgd door centrifugeren en vriesdrogen van de oplossing.

“Wat ons werk onderscheidt, is de schaalbaarheid van de methode die is ontwikkeld voor het synthetiseren van deze TiB₂ nanobladen. Om elk nanomateriaal te vertalen in een tastbare technologie, is schaalbaarheid de beperkende factor. Onze synthesemethode vereist alleen roeren en geen geavanceerde apparatuur. Dit komt door het oplos- en herkristallisatiegedrag van TiB₂een toevallige ontdekking die van dit werk een veelbelovende brug van lab naar het veld maakt”, legt prof. Kabeer uit.

Daarna construeerde het team een ​​anode Li-ion halfcel met behulp van de THNS als actief anodemateriaal. Het team bestudeerde de ladingsopslagkenmerken van de op THNS gebaseerde anodes.

Het team ontdekte dat de op THNS gebaseerde anode een hoge ontladingscapaciteit van 380 mAh/g vertoonde met een stroomdichtheid van slechts 0,025 A/g. Verder zagen ze dat een ontlaadcapaciteit van 174 mAh/g behaald kon worden bij een hoge stroomdichtheid van 1 A/g, bij een laadtijd van 10 min en een capaciteitsbehoud van 89,7% na 1.000 cycli. Bovendien kan de op THNS gebaseerde Li-ion-anode zeer hoge stroomsnelheden aan, in de orde van 15 tot 20 A/g, wat ultrasnel opladen in ongeveer 9 tot 14 seconden mogelijk maakt. Onder de hoge stroomsnelheid werd een capaciteitsbehoud van meer dan 80% waargenomen na 10.000 cycli.

De resultaten van deze studie wijzen op de geschiktheid van de 2D TiB₂ nanosheets als kandidaat voor snelladende en duurzame Li-ionbatterijen. Ze benadrukken ook het voordeel van bulkmaterialen op nanoschaal, zoals TiB₂om veelbelovende eigenschappen te bereiken, waaronder pseudocapacitieve ladingsopslag, uitstekende hogesnelheidscapaciteit en superieure recycleerbaarheid.

Prof. Matsumi legt de mogelijke langetermijneffecten van hun onderzoek uit: “Een dergelijke snellaadtechnologie kan de verspreiding van EV’s versnellen en de wachttijden voor het opladen van verschillende mobiele elektronische apparaten aanzienlijk verkorten. We hopen dat onze bevindingen meer onderzoek op dit gebied kunnen stimuleren veld, wat uiteindelijk kan leiden tot het gemak van EV-gebruikers, minder luchtvervuiling in steden en minder stressvol mobiel leven om de productiviteit van onze samenleving te verbeteren.”