Onderzoekers van de Toyohashi University of Technology hebben de elektrochemische prestaties van lithium-ionbatterijen (LIB's) aangetoond met behulp van in fosfor ingekapselde koolstofnanobuiselektroden, waarin rode fosfor met hoge capaciteit wordt geïntroduceerd in de binnenruimte van koolstofnanobuisjes (CNT's). De elektroden wezen op een verbetering van de elektrochemische reactiviteit van rode fosfor wanneer toegankelijke paden van lithiumionen, d.w.z., nanoporiën, werden gevormd op de zijwanden van de CNT's waar de rode fosfor was ingekapseld. Verder, de laad-ontlaadprofielen en structurele analyse onthulden omkeerbare elektrochemische reacties en de relatief hoge structurele stabiliteit van rode fosfor in de nanobuisjes, zelfs na de 50ste laad-ontlaadcyclus. De laad-ontlaadcapaciteiten vertonen een waarde die twee keer of hoger is dan die van grafiet dat in commerciële LIB's wordt gebruikt. Daarom, een nieuw elektrodemateriaal voor LIB's met hoge capaciteit wordt voorgesteld.

Rode fosfor heeft de aandacht getrokken als een hoger capacitief elektrodemateriaal voor LIB's omdat het een theoretische capaciteit kan leveren die ongeveer zeven keer hoger is dan die van grafiet dat wordt gebruikt als commercieel elektrodemateriaal voor LIB's. Aangenomen wordt dat het grote verschil in capaciteit te wijten is aan een aanvaardbare hoeveelheid lithiumionen in de structuren van grafiet voor LiC ₆ of fosfor voor Li ₃ P. Echter, rode fosfor ondergaat enorme volumetrische veranderingen, verpulvering, en loslaten tijdens het inbrengen en extraheren van lithiumionen, wat resulteert in een snelle capaciteitsvermindering als gevolg van de afname van de hoeveelheid elektrochemisch reactieve rode fosfor. Aanvullend, terwijl elektronen naar de elektrode bewegen tijdens het inbrengen/extractie van lithiumionen, rode fosfor heeft een nadeel in termen van energieverlies vanwege zijn lage elektronische geleidbaarheid.

Zoals getoond in Fig. 1 (links), Tomohiro Tojo en zijn collega's van de afdeling Electrical and Electronic Information Engineering, Toyohashi-universiteit voor technologie, hebben unieke structuren gesynthetiseerd waarin rode fosfor is ingekapseld in de binnenruimte van CNT's om te voorkomen dat het loslaat van de elektrode en om de elektronische geleidbaarheid te verbeteren. Voor het verbeteren van de elektrochemische reactiviteit van rode fosfor via toegankelijke paden van lithiumionen, nanoporiën ( <5 nm) werden ook gevormd op de zijwanden van de met fosfor ingekapselde CNT's zoals weergegeven in Fig. 1 (rechts). Na fosforinkapseling, Fig. 1 (links) laat zien dat de fosforatomen in de nanobuisjes waren verdeeld, bevestiging van de structurele stabiliteit van rode fosfor.

Met behulp van fosfor-ingekapselde CNT-elektroden, een omkeerbare capaciteit toonde ongeveer 850 mAh/g bij de vijftigste laad-ontlaadcyclus, zoals afgebeeld in Fig. 2 (links). Dit was een waarde die minstens twee keer hoger was dan die van grafietelektroden. Figuur 2 (rechts) toont de geschatte verhouding tussen laad- en ontlaadcapaciteiten (Coulombic-efficiënties) van> 99% na de tiende cyclus en de volgende cycli, wat wijst op een hoge omkeerbaarheid van ladings-ontladingsreacties op rode fosfor. Echter, de laad-ontlaadcapaciteiten namen geleidelijk af met toenemend aantal cycli vanwege de dissociatie van sommige PP-bindingen en andere nevenreacties op het oppervlak van fosfor en de CNT's. interessant, de met fosfor ingekapselde CNT met nanoporiën vergemakkelijkte de significante verbetering van de elektrochemische prestaties in vergelijking met de met fosfor ingekapselde CNT zonder nanoporiën. Er wordt gesuggereerd dat dit te wijten is aan de hoge reactiviteit van rode fosfor met lithiumionen door de nanoporiën op de zijwanden. Na de laad-ontlaadcycli, rode fosfor werd waargenomen in de nanobuisjes, zoals het geval is weergegeven in Fig. 1 (links).

We hebben in fosfor ingekapselde CNT's voorgesteld als elektrodemateriaal voor LIB's met een hoge capaciteit, ook al zijn er aanvullende verbeteringen in de structuren nodig om een ​​lange-termijncyclus te bereiken zonder capaciteitsverlies. Verdere studies zullen worden uitgevoerd naar het gebruik van dergelijke elektroden.