Li-ionbatterijen (LIB's) zijn voordelige apparaten voor energieopslag vanwege hun hogere specifieke energiedichtheid, lagere zelfontlading, en een lager geheugeneffect. Onder de componenten van batterijen, elektrodematerialen spelen een sleutelrol bij het verbeteren van elektrochemische eigenschappen. Dus, de ontwikkeling van geavanceerde elektrodematerialen voor hoogwaardige LIB's is een belangrijke doelstelling in verwante onderzoeksgebieden.

Tweedimensionale (2-D) nanomaterialen, inclusief grafeen, overgangsmetaaloxide (TMO) nanoplaten, overgangsmetaal dichalcogenide (TMD) nanosheets, enzovoort., zijn samengesteld uit een of meerdere monolagen van atomen (of eenheidscellen). Ze hebben uitstekende fysische en chemische eigenschappen in tegenstelling tot hun bulktegenhangers. De integratie van 2D-nanomaterialen met apparaten voor energieopslag zou grote uitdagingen kunnen overwinnen die worden veroorzaakt door de steeds groter wordende wereldwijde vraag naar energie. Helaas, het directe gebruik van deze plaatachtige materialen is een uitdaging vanwege een ernstige neiging tot zelfagglomeratie, relatief lage geleidbaarheid, en duidelijke volumeveranderingen tijdens herhaalde laad-ontlaadcycli.

In een nieuw overzichtsartikel gepubliceerd in Nationale wetenschappelijke recensie , wetenschappers uit Australië van de Queensland University of Technology en de University of Wollongong vatten de recente vooruitgang samen met de strategieën voor het verbeteren van de lithiumopslagprestaties van 2D-nanomaterialen. Deze strategieën voor het manipuleren van de structuren en eigenschappen zullen naar verwachting het hoofd bieden aan de grote uitdagingen voor geavanceerde nanomaterialen in toepassingen voor energieopslag. Co-auteurs Jun Mei, Yuanwen Zhang, Ting Liao, Ziqi Sun en Shi Xue Dou identificeerden drie primaire strategieën:hybridisatie met geleidende materialen, oppervlakte/rand functionalisering, en structurele optimalisatie.

"De strategie van hybridisatie is de meest gebruikelijke voor op TMO's / TMD's gebaseerde nanocomposieten, waarin sommige geleidende nanostructuren, bijv. nano-koolstof, koolstof nanobuisjes (CNT's), grafeen, organische polymeren, metalen nanodeeltjes, enzovoort., worden geïntroduceerd om te hybridiseren met TMO / TMD-nanobladen om de algehele geleidbaarheid te verbeteren en de volume-uitbreiding van metaaloxide- of sulfide-nanomaterialen tijdens de herhaalde laad- / ontlaadcycli op te vangen, ', melden de onderzoekers.

"De tweede strategie is edge/surface functionalization, die kan worden bereikt door atoom-/iondotering of defect-engineering aan de randen of op de oppervlakken van de 2-D nanomaterialen. De implantatie van heteroatomen of ionen in 2-D nanomaterialen helpt om de elektronische structuur te moduleren, de chemische reactiviteit van het oppervlak, of de tussenlaagafstand van de 2-D nanomaterialen, en verbetert verder de opslagcapaciteit van lithiumionen, " schrijven ze. "De derde strategie van structuuroptimalisatie wordt vaak gerealiseerd door enkele structurele parameters tijdens de fabricage te controleren, zoals dikte, maat, poriën, of oppervlaktemorfologie, die aanzienlijke gevolgen hebben voor de structuurafhankelijke eigenschappen en de elektrochemische prestaties, en zijn gunstig voor het verlichten van de onvermijdelijke zelf-herstapeling en het blootleggen van meer actieve sites."

De wetenschappers concluderen, "Deze effectieve strategieën voor het verbeteren van de lithiumopslag van 2D-nanomaterialen zullen goede referentiepunten zijn voor wetenschappers en onderzoekers op het gebied van materialen, scheikunde, en nanotechnologie, die uitkijken naar de ontwikkeling van superieure oplaadbare batterijen van de volgende generatie".