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Las nanoestructuras unidimensionales (1D) exhiben propiedades distintas que difieren de los materiales a granel. Ofrecen ventajas significativas en el desarrollo de baterías de próxima generación debido a la facilidad del transporte electrónico e iónico y la gran tolerancia a los cambios de voltaje. Contribuyen así al alto rendimiento de los sistemas de almacenamiento de energía.
Estudiar: Nanoestructuras 1D multifuncionales para futuras baterías: una revisión exhaustiva. Crédito de la foto: P5h
Un artículo de revisión publicado en Advanced Functional Materials ha revisado sistemáticamente las últimas investigaciones sobre nanoestructuras 1D basadas en baterías recargables. En esta revisión, se han destacado y resumido algunos métodos importantes de nanoestructuración 1D. en el sitio Caracterizaciones estructurales basadas en nanoestructuras 1D que facilitan el monitoreo a nivel atómico de la dinámica de evolución de la estructura y la cinética de reacción de los materiales de los electrodos.
La estabilización de ánodos metálicos y la nanoestructuración 1D en electrolitos de estado sólido también se han destacado porque no solo son cruciales para las tendencias predominantes en la investigación de baterías, sino que rara vez se han abordado en estudios anteriores.
Nanoestructuras 1D en baterías
Los nanomateriales de baja dimensión tienen propiedades únicas que no se observan en materiales a macroescala y encuentran aplicación en baterías recargables. Los materiales de electrodos con nanoestructuras 1D permiten un transporte rápido de iones o electrones y grandes áreas de contacto entre el electrodo y el electrolito.
La incorporación de nanoestructuras 1D con geometrías porosas jerárquicas, interfaciales o tubulares acelera aún más las reacciones electroquímicas al proporcionar múltiples sitios activos, longitudes de difusión de iones cortas y relajación del estrés.
La alta relación de aspecto de las nanoestructuras 1D permite la autointegración, lo que fomenta el desarrollo de estructuras funcionales tridimensionales (3D) para otros componentes de la batería. Sin embargo, dicha autointegración no se puede lograr con nanoestructuras de dimensión cero (0D) o bidimensionales (2D) debido a su baja relación de aspecto.
Las nanoestructuras 1D estabilizaron los ánodos metálicos en baterías recargables al hacer que los andamios basados en nanofibras en red 3D sean litófilos, lo que facilita la deposición uniforme del metal, mejora la estabilidad durante el desprendimiento y el metalizado, y proporciona canales apropiados para el transporte de iones.
Además, las nanoestructuras 1D proporcionan técnicas y herramientas experimentales novedosas para la determinación práctica de las propiedades fisicoquímicas de los materiales de los electrodos y proporcionan pautas para el desarrollo de baterías de alto rendimiento.
Métodos sintéticos para nanoestructuras 1D y sus limitaciones
Entre los métodos para sintetizar nanoestructuras 1D, las estrategias de síntesis solvotermal e hidrotermal enfrentan varios desafíos, incluida la previsibilidad y el control estructural, que siguen siendo difíciles de alcanzar en los sistemas de composición compleja obtenidos a través de estas rutas sintéticas. Por lo tanto, es un desafío sintetizar estructuras amorfas utilizando métodos solvotérmicos e hidrotérmicos.
Además, los mecanismos de formación y evolución de varias nanoestructuras semiconductoras inorgánicas se limitan a interpretaciones hipotéticas. Entonces integración en el sitio La microscopía electrónica de transmisión (TEM) o la difracción de rayos X (XRD) en un autoclave permite la observación de la dinámica de reacción durante la formación de cristales.
La deposición química de vapor (CVD) es más económica que la síntesis solvotérmica o hidrotérmica de nanoestructuras 1D porque permite una síntesis precisa o controlada. Además, su baja eficiencia de producción se puede abordar aumentando las zonas de calentamiento del accesorio para producir suficiente material. Aunque la mayoría de los procesos de CVD operan a altas temperaturas, la síntesis de nanoestructuras 1D a través de CVD mejorada con plasma permite que el proceso se realice a una temperatura más baja.
Por otro lado, las principales ventajas del enfoque de electrodeposición son la síntesis a baja temperatura y la aplicabilidad a varios sustratos metálicos. Sin embargo, este método está limitado por la dificultad de controlar uniformemente la morfología. Además, es un desafío usar un sustrato aislante para la electrodeposición utilizando un método de plantilla o sin plantilla.
Aunque el proceso sol-gel es eficiente, requiere un precursor de gel de alta calidad y pasos posteriores a la reacción adicionales para eliminar los subproductos. Electrospinning selectivamente facilita la fabricación de nanofibras 1D continuas. Sin embargo, la insolubilidad de los precursores de polímeros limita su adaptabilidad.
Alternativamente, las técnicas de impresión 3D y litografía son los últimos métodos para fabricar estructuras reticulares de microtamaño altamente porosas. Sin embargo, estos métodos están limitados por la falta de procesos confiables para lograr rendimientos suficientes, la falta de materiales adecuados y procesos de múltiples pasos en las técnicas de litografía. Al superar estas limitaciones, las técnicas de litografía y nanoimpresión 3D pueden lograr un desarrollo significativo en términos de utilización y productividad en el diseño de dispositivos de energía.
Alcance de las nanoestructuras 1D en baterías
Los nuevos sistemas de baterías, como las baterías de espín y de fase cuántica, se pueden desarrollar con la ayuda de nanoestructuras 1D. Mientras que las baterías convencionales proporcionan una polarización sostenida que puede alimentar circuitos electrónicos mediante el almacenamiento de energía química, una batería de fase cuántica basada en coherencia de fase proporciona una función de onda de circuito cuántico con polarización de fase sostenida.
Debido a las propiedades únicas de la mecánica cuántica, los investigadores esperaban que las baterías se cargaran más rápido en la fase cuántica. El uso de nanoestructuras 1D también ha demostrado la viabilidad de las baterías giratorias recargables. Al aplicar un fuerte campo magnético a los nanoimanes en una unión de túnel magnético, las baterías giratorias pueden almacenar energía en imanes en lugar de mediante procesos químicos.
Así, las nanoestructuras 1D ofrecen un enorme potencial para el desarrollo de nuevas baterías y sirven como base para el estudio de la dinámica electroquímica. yon-situ o Técnicas de caracterización de operando.
Conclusión
En resumen, las nanoestructuras 1D han contribuido significativamente a los avances en la ciencia de las baterías. Las cortas distancias de transporte de iones o electrones, las grandes áreas superficiales y la capacidad de relajación eficaz de la tensión de las nanoestructuras 1D ofrecen un rendimiento electroquímico excelente que no se encuentra en los materiales a granel.
Además, la construcción de una sonda a nanoescala con una sola nanoestructura 1D ayuda a estudiar la dinámica electroquímica y el mecanismo fundamental con alta resolución. Esto contribuirá al desarrollo de futuras baterías.
Además del análisis electroquímico, se espera que la integración de la tecnología de inteligencia artificial (IA) contribuya a avances significativos en la nanoestructuración 1D para aplicaciones de baterías reales.
Relación
Cheong JY, Cho SH, Lee J, Jung JW, Kim C, Kim ID (2022). Nanoestructuras 1D multifuncionales para futuras baterías: una revisión exhaustiva. Materiales funcionales avanzados.https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202208374
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