2D-s nanolapok anódként a lítium-ion akkumulátorokban
Japán és indiai kutatók titán-diborid nanolemezeket használnának fel anódanyagként lítium-ion akkumulátorokban, hogy lehetővé tegyék a gyors töltést és meghosszabbítsák az akkumulátor élettartamát.
Ahogy az elektromos járművek (EV) ipara fejlődik, úgy növekednek a kiváló lítium-ion akkumulátorok kutatására és fejlesztésére irányuló erőfeszítések is, amelyek ezeket a járműveket mozgatják. Fejlesztésük során kritikus kihívást jelent a gyors töltés-kisülés technológia feltárása és bővítése, valamint a meghosszabbított akkumulátor-élettartam. Néhány tényező, például a Li-ionok diffúziója, az elektróda-elektrolit interfész jellemzői és az elektródák porozitása segíthet ezeken a problémákon leküzdeni a rendkívül gyors töltést és az ultrahosszú élettartamot.
Az elmúlt években a kétdimenziós (2D) nanoanyagok, amelyek vékony, néhány nanométer vastagságú lapszerű szerkezetek, a Li-ion akkumulátorok potenciális anódanyagaiként jelentek meg. Ezek a nanolapok nagy sűrűségű aktív helyekkel rendelkeznek, ami gyors töltést és kiváló ciklikus teljesítményt tesz lehetővé. Különösen félfém-diboridokon (vagy TMD-ken) alapuló 2D nanoanyagok keltették fel a kutatók érdeklődését. Megállapították, hogy a TMD-k nagy sebességgel és hosszú ciklusstabilitással rendelkeznek a Li-ion tárolására, a bórból és többértékű félfém atomokból álló méhsejt-sík miatt.
A közelmúltban Noriyoshi Matsumi professzor, a Japán Tudományos és Technológiai Intézet (JAIST) és Prof. Kabeer Jasuja, az Indiai Technológiai Intézet (IIT) Gandhinagar vezette tudóscsoportja a TMD-ben rejlő energiahatékonyság további kutatását tűzte ki célul. tárolás. A csapat elvégezte az első kísérleti tanulmányt a titán-diborid (TiB2) alapú hierarchikus nanolapok (THNS) tárolási potenciáljáról Li-ion akkumulátorok anódanyagaként. A csapat a következőkből állt: Rajashekar Badam, a JAIST korábbi vezető; Akash Varma, volt M.S. Tanfolyamhallgató a JAIST-en; Koichi Higashimine, a JAIST műszaki szakértője és Asha Liza James, Ph.D, Az IIT Gandhinagar diákja. Tanulmányukat az ACS Applied Nano Materials-ban tették közzé, és 2022. szeptember 19-én tették elérhetővé az interneten.
A THNS-t a TiB2 por hidrogén-peroxiddal történő oxidációjával, majd az oldat centrifugálásával és fagyasztva szárításával fejlesztették ki. „Munkánkat a TiB2 nanolapok szintetizálására kifejlesztett módszer skálázhatósága teszi kiemelkedővé. Ahhoz, hogy bármely nanoanyag kézzelfogható technológiává váljon, a méretezhetőség a korlátozó tényező. Szintézismódszerünk csak keverést igényel, kifinomult berendezést nem igényel. Ez a TiB2 oldódási és átkristályosodási viselkedésének köszönhető. Ez egy olyan szerencsétlen felfedezés, amely ezt a munkát ígéretes hídgá teszi a labortól a terepig” – magyarázza Prof. Kabeer.
Ezt követően a csapat egy anódos Li-ion félcellát épített a THNS aktív anódanyagként történő felhasználásával. A csapat tanulmányozta a THNS-alapú anódok töltés-tárolási jellemzőit.
A csapat megállapította, hogy a THNS-alapú anód nagy, 380 mAh/g kisülési kapacitást mutatott, mindössze 0,025 A/g áramsűrűség mellett. Továbbá azt látták, hogy nagy, 1 A/g áramsűrűség mellett 174 mAh/g kisütési kapacitás érhető el, 10 perces töltési idővel és 1000 ciklus után 89,7%-os kapacitásmegtartással. Ezenkívül a THNS-alapú Li-ion anód nagyon magas, 15-20 A/g nagyságrendű áramot képes fenntartani, ami megkönnyíti az ultragyors töltést körülbelül 9-14 másodperc alatt. A nagy áramsebesség mellett 80%-nál nagyobb kapacitásmegtartást figyeltek meg 10 000 ciklus után.
Ennek a tanulmánynak az eredményei azt mutatják, hogy a 2D TiB2 nanolapok alkalmasak gyorsan tölthető és hosszú élettartamú Li-ion akkumulátorokra. Emellett kiemelik a nano-skálázó ömlesztett anyagok, például a TiB2 előnyeit, amelyek ígéretes tulajdonságokat érnek el, beleértve a pszeudokapacitív töltéstárolást, a kiváló nagy sebességű képességet és a kiváló ciklusképességet.
Prof. Matsumi kutatásuk lehetséges hosszú távú hatásait magyarázza: „Az ilyen gyorstöltési technológia felgyorsíthatja az elektromos járművek terjedését, és jelentősen csökkentheti a várakozási időt a különböző mobil elektronikus eszközök töltéséhez. Reméljük, hogy eredményeink további kutatásokat ösztönözhetnek ezen a területen, ami végül az elektromos járműveket használók kényelmét, a városok levegőszennyezésének csökkenését és a kevésbé stresszes mobiléletet eredményezheti, hogy növeljük társadalmunk termelékenységét.”
Reméljük, hogy hamarosan meglátjuk ezt a figyelemre méltó technológiát az elektromos járművekben és más elektronikus eszközökben.
