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 Research 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 in 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 and transmission electron microscopy revealed a 3D interconnected network of smooth fibers with no clumps of iron particles, indicating that they were well dispersed.

The results revealed that adding atomic Fe changed the electronic structure of the carbon materials to promote more electrical conductivity as well as reduce the diffusion resistance of the Li ⁺ . The researchers explain that the electrochemical performance was enhanced mainly through a synergistic effect of the atomic Fe and the formation of an Fe-N bond that exposed more active sties to which Li ⁺ could adhere. The outcome was improvement in lithium storage performance. The manufactured anode delivered sustained electric power through 5000 cycles of high current density, providing both high energy and large power density. Its interlaced fiber structure conferred structural stability and improved conductivity.

Study author Yanan Li, also a researcher at the China University of Petroleum, explains how the materials conformation pioneered in this study "achieved kinetically accelerated Li ⁺ storage and decent performance at high mass loadings," using "a simple method to produce atomic Fe decorated carbon nanofibers."

Looking forward

The study authors emphasize that the use of carbon nanofibers could bridge the gap between basic research and practical applications. They anticipate adoption of the novel material for use in a range of energy storage devices. "The electrospun carbon nanofiber mats are highly flexible, suggesting their possibility of constructing flexible and wearable energy storage devices," says Hu. The carbon nanofiber mats would serve as the electrodes. Also, say the researchers, they aim to explore the use of other single atom metals sodium, potassium, and zinc for augmenting storage of electrochemical energy. + Verder verkennen

Eliminating the bottlenecks in performance of lithium-sulfur batteries