Una preimpresión de la revista. Electroquímica Acta se centra en el desarrollo de nanoláminas de oxisulfuro de dibismuto basadas en óxido de grafeno reducido (Bi2O2[email protected]) como materiales anódicos multifuncionales para baterías alcalinas recargables acuosas de alto rendimiento (ÁRABES) usando un simple proceso hidrotermal de un solo paso.
Estudio: nanohojas de Bi2O2S ancladas en óxidos de grafeno reducidos como ánodos superiores para baterías recargables alcalinas acuosas. Crédito: Imágenes de inmersión/Shutterstock.com
Pilas alcalinas acuosas recargables: ventajas y limitaciones
Con el rápido crecimiento de la energía verde y sostenible, existe la necesidad de crear un sistema de almacenamiento de energía que sea seguro, rentable y que tenga una alta potencia y densidad de energía.
Las baterías alcalinas acuosas recargables (ARAB) han atraído un intenso interés de investigación debido a sus propiedades únicas, como una excelente seguridad, una fuerte conductividad iónica y un bajo costo. Debido a la transición de fase que ocurre en los electrodos, las baterías alcalinas recargables acuosas suelen tener buenas capacidades específicas en comparación con los supercondensadores.
Muchas baterías recargables alcalinas acuosas (ARAB) tienen una cinética deficiente y una estabilidad de ciclo deficiente, lo que da como resultado un cambio estructural en el ánodo y el crecimiento de dendritas durante la carga/descarga. Por lo tanto, es crucial producir materiales de ánodo novedosos, estables y duraderos para baterías alcalinas recargables acuosas (ARAB) de alto rendimiento.
Materiales a base de bismuto (Bi) como ánodos para ARAB
Los materiales a base de bismuto son ánodos adecuados para ARAB debido a su compatibilidad ecológica, niveles de voltaje negativo razonables y reacciones electroquímicas rápidas de tres electrones en electrolitos acuosos. Además, las propiedades metálicas intrínsecas del bismuto y su bajo peso molecular ofrecen varias ventajas prácticas, tales como: B. Fuerte conductividad y alto potencial teórico.
Muchos materiales nanoestructurados basados en Bi se han fabricado como ánodos para dispositivos de almacenamiento de energía. Sin embargo, la practicidad de los ánodos basados en bismuto convencionales se ve obstaculizada por su escasa durabilidad y capacidad específica.
Bi2O2S, un complejo de calcogenuro de oxígeno de bismuto apilado bidimensional (2D), se ha mostrado recientemente muy prometedor para aplicaciones optoelectrónicas y de semiconductores de alto rendimiento. Tiene una banda prohibida más estrecha de 1,12 eV que los ánodos de base Bi estándar, lo que da como resultado una conductividad más alta.
Una heteroestructura bien diseñada que combine materiales de base Bi y carbonosos puede mejorar la eficiencia electrolítica general de las baterías recargables alcalinas acuosas (ARAB).
Desarrollo de Novela Bi2O2[email protected] nanohojas
En este trabajo, los investigadores crearon un bi2O2El compuesto de nanoláminas S/rGO como nuevo material de ánodo para baterías recargables alcalinas acuosas (ARAB), inspirado en las propiedades estructurales distintivas de los materiales bidimensionales (2D) con un canal de difusión de iones rápido y una estructura relativamente robusta.
La microestructura de la muestra se examinó y analizó utilizando un microscopio electrónico de barrido (SEM). Se usó un microscopio electrónico de transmisión (TEM) para examinar la microestructura de la muestra y examinar la distribución de cada componente en el material compuesto usando la prueba de distribución de la superficie del elemento. La estructura cristalina de los compuestos se determinó utilizando un analizador de difracción de rayos X (XRD).
El estado químico de las muestras y la proporción de los componentes se examinaron mediante espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS). La morfología de los compuestos se identificó y analizó mediante espectroscopia Raman.
Conclusiones clave del estudio
En este estudio, los investigadores crearon un nuevo material bidimensional, Bi2O2[email protected] Nanocompuesto de heterounión que utiliza un proceso de fabricación hidrotermal de un solo recipiente como material de ánodo para baterías recargables acuosas de níquel-bismuto-alcalina (ARAB).
La investigación XRD reveló que Bi2O2Las nanoláminas S crecen uniformemente en la superficie de la lámina de grafeno, con tamaños laterales promedio que varían entre 300 y 400 nm. Como resultado, las delgadas nanoláminas de grafeno así producidas tienen una excelente conductividad eléctrica y mejoran el Bi2O2S rendimiento electroquímico.
Imágenes de microscopía electrónica de transmisión (TEM) de Bi2O2[email protected] reveló que el material tenía una estructura similar a una hoja cuadrangular consistente a bajo aumento.
Los investigadores utilizaron los materiales así preparados como electrodos de trabajo en ARAB y se realizaron los experimentos electroquímicos correspondientes para evaluar la actividad electrocatalítica. Se descubrió que los compuestos de nanoláminas finas producidos podían combinar las ventajas de cada material para proporcionar un efecto acumulativo que mejora el rendimiento de los ARAB.
Los investigadores concluyeron además que el Bi optimizado2O2[email protected] Los ánodos de nanoláminas tenían una capacidad específica más alta que los ánodos típicos basados en bismuto. Pilas alcalinas acuosas recargables (ARABs) con Bi2O2[email protected] Las nanoláminas como ánodo y el material a base de níquel como cátodo mostraron una alta densidad de potencia, altas concentraciones de energía y un excelente rendimiento cíclico, con una tasa de retención de capacidad del 92,74 % después de 5000 ciclos.
Sobre la base de estos resultados, es razonable concluir que la técnica utilizada en este trabajo para fabricar ánodos a base de bismuto para baterías recargables alcalinas acuosas (ARAB) puede abrir nuevas vías para el desarrollo de materiales de ánodo de alto rendimiento y respetuosos con el medio ambiente.
Relación
Liu, Y.-L. et al. (2022). Bi2O2S nanosheets anclados en óxidos de grafeno reducidos como ánodos superiores para baterías alcalinas recargables acuosas. Electroquímica Acta. Disponible en: https://doi.org/10.1016/j.elecacta.2022.140833
