Nieuw gebruik van met ijzer geregen koolstofnanovezels levert hoogwaardige energieopslag op

De atomaire Fe-sites met coördinatie onverzadigde elektronische configuratie blijken gunstig te zijn voor Li⁺ binding en diffusie en de met atomaire Fe versierde koolstofnanovezels zorgen voor wezenlijk verbeterde lithiumopslagprestaties bij hoge massabelasting. Krediet: Nano-onderzoek

Een nieuwe studie door Chinese onderzoekers toont een nieuwe benadering aan om de opslagprestaties van batterijen en condensatoren te verbeteren. De onderzoekers ontwikkelden een eenvoudige maar efficiënte manier om een ​​materiaal te produceren met uitstekende prestaties voor gebruik in apparaten die afhankelijk zijn van lithium-ion-opslag.

Ze publiceerden hun bevindingen in Nano-onderzoek op 1 april

Waarom lithium?

Energieopslagtechnologieën worden steeds belangrijker naarmate de wereld verschuift naar koolstofneutraliteit, waarbij we de automobiel- en hernieuwbare energiesectoren verder willen elektrificeren. Lithium-iontechnologie is van cruciaal belang om deze verschuiving mogelijk te maken.

“Van alle beschikbare kandidaten zouden de energieopslagapparaten die lithiumopslagchemie gebruiken, zoals lithium-ionbatterijen en lithium-ioncondensatoren, de beste prestaties kunnen leveren in het huidige stadium”, zegt studieauteur Han Hu, een onderzoeker aan het Instituut. van New Energy, China University of Petroleum.

Het gebruik van lithium-iontechnologie bij energieopslag wordt echter beperkt door de efficiëntie in verhouding tot de grootte. Een door de auteurs aangehaalde studie uit 2021 stelt dat lithium-ionbatterijen efficiënter moeten worden, zowel qua gewicht als qua volume, om het concurrentievermogen van elektrische voertuigen op de markt te verbeteren. Verdere verbetering van de opslagcapaciteit kan daarom de sleutel zijn tot het bereiken van doelstellingen voor koolstofneutraliteit, waardoor onderzoek naar de prestaties van lithium-ionbatterijen en condensatoren via het gebruik van nieuwe materialen van het grootste belang is.

Een nieuw materiaal construeren

Koolstofhoudende materialen gedoteerd met stikstof zijn momenteel de dominante keuze in lithiumbatterijen en condensatoren, waarbij elektronen- en ionenoverdracht de fundamentele processen zijn voor elektrochemische energieopslag. Omdat koolstofhoudende materialen echter niet-polair zijn – met ladingen gelijk verdeeld over hun moleculen – wordt het geladen lithium (Li⁺) hecht niet gemakkelijk aan de materialen, ondanks de onverzadigde configuratie die het geschikte bindingsenergie geeft.

De onderzoekers hebben daarom koolstofnanovezels met ijzer (Fe) geregen om hun oppervlaktechemie te reguleren en een verhoogde elektronen- en ionenoverdracht te vergemakkelijken. Met behulp van elektrospinnen produceerden ze een reeks koolstofnanovezelmonsters met Fe-gehalte. Vervolgens evalueerden ze de Li⁺ opslagprestaties van de monsters met behulp van een verscheidenheid aan elektrochemische testmethoden. Scanning- en transmissie-elektronenmicroscopie onthulde een 3D onderling verbonden netwerk van gladde vezels zonder klompjes ijzerdeeltjes, wat aangeeft dat ze goed verspreid waren.

De resultaten onthulden dat het toevoegen van atomair Fe de elektronische structuur van de koolstofmaterialen veranderde om meer elektrische geleidbaarheid te bevorderen en de diffusieweerstand van de Li te verminderen.⁺. De onderzoekers leggen uit dat de elektrochemische prestatie voornamelijk werd verbeterd door een synergetisch effect van het atomaire Fe en de vorming van een Fe-N-binding die meer actieve stallen blootstelde waaraan Li⁺ zou kunnen houden. Het resultaat was een verbetering van de lithiumopslagprestaties. De vervaardigde anode leverde aanhoudend elektrisch vermogen gedurende 5000 cycli van hoge stroomdichtheid, wat zowel een hoge energie als een grote vermogensdichtheid oplevert. De verweven vezelstructuur verleende structurele stabiliteit en verbeterde geleidbaarheid.

Studie-auteur Yanan Li, ook een onderzoeker aan de China University of Petroleum, legt uit hoe de materiaalconformatie die in deze studie pionierde, “kinetisch versnelde Li bereikte⁺ opslag en fatsoenlijke prestaties bij hoge massabelastingen”, met behulp van “een eenvoudige methode om met atomaire Fe versierde koolstofnanovezels te produceren.”

Ergens naar uitkijken

De auteurs van het onderzoek benadrukken dat het gebruik van koolstofnanovezels de kloof tussen fundamenteel onderzoek en praktische toepassingen zou kunnen overbruggen. Ze anticiperen op de adoptie van het nieuwe materiaal voor gebruik in een reeks energieopslagapparaten. “De elektrospun koolstof-nanovezelmatten zijn zeer flexibel, wat suggereert dat ze flexibele en draagbare apparaten voor energieopslag kunnen bouwen”, zegt Hu. De koolstof nanovezelmatten zouden dienen als de elektroden. Volgens de onderzoekers willen ze ook het gebruik van andere metalen met één atoom, natrium, kalium en zink, onderzoeken voor het vergroten van de opslag van elektrochemische energie.