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Los marcos tridimensionales (3D) hechos de nanocompuestos de carbono (C) y silicio (Si) han mostrado un buen potencial como ánodos para baterías de iones de litio.
![Aplicaciones mejoradas de nanocompuestos de Si-C dopados con N en baterías de iones de litio](https://d1otjdv2bf0507.cloudfront.net/images/news/ImageForNews_39743_16644569916514481.jpg)
Estudio: Red tridimensional de híbridos de nanopartículas de Si/nanofibras de carbono encapsuladas en matriz de carbono dopadas con nitrógeno para ánodos de baterías de iones de litio con un rendimiento excelente. Crédito de la foto: ktsdesign/Shutterstock.com
En un artículo publicado en Scientific Reports, se desarrolló un compuesto de grafeno dopado con N/nanopartículas de silicio recubiertas de carbono/nanofibras de carbono como un ánodo altamente eficiente para baterías de iones de litio.
El nanocompuesto se sintetizó mediante varios métodos, incluido el autoensamblaje electrostático, las modificaciones de la superficie, la reticulación mediante tratamiento térmico y la carbonización adicional.
La importancia de las baterías de iones de litio
Las baterías de iones de litio con alta potencia y energía específicas, larga vida cíclica y precios razonables son esenciales para el rápido crecimiento de los sistemas electrónicos portátiles y los vehículos eléctricos.
La creciente demanda de mayores densidades de energía en las baterías de iones de litio ha impulsado el desarrollo de nuevos y mejores materiales de ánodo.
El ánodo es un elemento crítico de las baterías de iones de litio y afecta directamente las propiedades de la batería.
Limitaciones de los ánodos de silicio
El silicio es un material de ánodo prometedor y ha surgido como una alternativa a los materiales de ánodo tradicionales basados en grafito. Sin embargo, existen obstáculos significativos para la implementación práctica de materiales basados en silicio en baterías de iones de litio.
La conductividad limitada de los materiales a base de silicio da como resultado un rendimiento de ánodo por debajo del promedio.
Los cambios de volumen no deseados de las partículas de silicio durante el ciclo conducen a la fractura del material del electrodo y la pérdida de contacto eléctrico con un colector de corriente. Esto acelera la degradación de la capacidad de la batería, reduce el ciclo de vida y daña las celdas de la batería.
A potenciales de 1V o menos, un electrolito ordinario crea una SEI (interfaz de electrolito sólido) en la superficie del silicio. Si el volumen cambia, el SEI podría fracturarse y exponer partículas de silicio, formando SEI adicional en la superficie de silicio expuesta.
La película SEI aumenta continuamente el espesor de la capa de silicio. La capa pronto cubre los agujeros en el electrodo, bloqueando el paso de electrones e iones de litio. Esto aumenta la impedancia y disminuye la conductancia, lo que finalmente afecta la estabilidad del ciclo de la batería.
¿Cómo pueden ayudar los gráficos?
Las nanopartículas de silicio pueden acortar la ruta de transporte de los iones de litio mientras mantienen los cambios volumétricos durante un ciclo.
Las notables propiedades del grafeno, que incluyen una excelente conductividad, estabilidad química y térmica y una gran área específica, lo convierten en un material de encapsulación ideal en la fabricación de baterías de iones de litio.
Los compuestos de silicio/carbono a base de grafeno pueden reducir los cambios de volumen de las nanopartículas de silicio y crear una capa SEI estable. También puede mejorar la conductividad eléctrica y la capacidad de almacenamiento de litio de las nanopartículas de silicio.
Los vacíos creados por defectos de vacantes en el grafeno también crean vías para el transporte de iones, aumentan la permeabilidad del grafeno a los iones y mejoran la reactividad y la difusión de iones.
El precursor de grafeno más utilizado en la fabricación de nanocompuestos de grafeno es el óxido de grafeno (GO). El óxido de grafeno reducido (rGO dopado con N) dopado con nitrógeno (N) puede mejorar significativamente las propiedades electrolíticas y físicas del grafeno.
Conclusiones clave del estudio
Las interacciones electrostáticas con grupos amino y carboxilo, los procesos hidrotermales y la carbonización fueron las técnicas utilizadas en este estudio para atrapar de manera efectiva las nanopartículas de silicio en capas de carbono dopadas con nitrógeno compuestas de capas base de grafeno y MFR.
La nanofibra de carbono y las capas de grafeno/carbono dopadas con nitrógeno aumentaron la conductividad eléctrica del material del ánodo y redujeron con éxito los cambios de volumen en el silicio durante los ciclos de carga/descarga.
Las nanopartículas de silicio recubiertas por la capa de carbono redujeron con éxito el contacto directo con el electrolito y formaron una capa SEI estable.
La nanofibra de carbono unió las nanopartículas de silicio atrapadas en la capa de carbono y las protegió del agrietamiento y la deslaminación de las nanopartículas de silicio, manteniendo la integridad de la estructura del ánodo.
El grafeno dopado con nitrógeno introdujo con éxito N grafítico, N pirrólico y N-piridina, creando defectos y vacantes adicionales en la estructura del grafeno. Esto resultó en rutas de transmisión más efectivas para la intercalación de iones de litio.
La modificación de la superficie de las nanopartículas de silicio aumentó su dispersabilidad y la conexión entre las nanopartículas de silicio y la capa de carbono dopada con nitrógeno.
Una distribución uniforme de nanopartículas de silicio en la solución desarrollada minimiza la agregación de nanopartículas de grafeno y silicio.
La estructura de red tridimensional estable de nanopartículas de silicio, nanofibras de carbono y películas de carbono redujo la distancia de transporte de iones y promovió la transferencia de iones y electrones, lo que finalmente aumentó la conductividad de los electrodos.
Los electrodos desarrollados mostraron un rendimiento de velocidad y una estabilidad de ciclo excelentes y se pueden utilizar como punto de referencia para el desarrollo de materiales de ánodo para baterías de iones de litio.
Relación
Cong R, Jo M, Martino A, Park H-H, Lee H y Lee CS (2022). Red tridimensional de híbridos de nanopartículas de Si/nanofibras de carbono encapsuladas en matriz de carbono dopadas con nitrógeno para ánodos de baterías de iones de litio con un rendimiento excelente. Informes científicos12. Disponible en: https://www.nature.com/articles/s41598-022-20026-9
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