De atomära Fe-platserna med koordinerande omättad elektronisk konfiguration visar sig vara gynnsamma för Li + bindning och diffusion och de atomära Fe-dekorerade kolnanofibrerna ger väsentligt förbättrad litiumlagringsprestanda vid högmassbelastning. Kredit:Nano Research
En ny studie av kinesiska forskare visar ett nytt tillvägagångssätt för att förbättra lagringsprestanda för batterier och kondensatorer. Forskarna utvecklade ett enkelt men effektivt sätt att producera ett material med utmärkt prestanda för användning i enheter som är beroende av litiumjonlagring.
De publicerade sina resultat i Nano Research den 1 april.
Varför litium?
Energilagringstekniker blir allt viktigare när världen växlar mot koldioxidneutralitet, i syfte att ytterligare elektrifiera fordons- och förnybar energisektorn. Litiumjonteknik är avgörande för att driva denna förändring.
"Bland alla tillgängliga kandidater kan energilagringsenheter som använder litiumlagringskemi, såsom litiumjonbatterier och litiumjonkondensatorer, ge den bästa prestandan i det aktuella skedet", säger studieförfattaren Han Hu, forskare vid institutet of New Energy, China University of Petroleum.
Användningen av litiumjonteknik vid energilagring begränsas dock av dess effektivitet i förhållande till storleken. En studie från 2021 som citeras av författarna hävdar att för att förbättra konkurrenskraften på marknaden för elfordon måste litiumjonbatterier bli effektivare både vad gäller vikt och volym. Ytterligare förbättringar av lagringskapacitet kan därför vara nyckeln till att uppnå koldioxidneutralitetsmål, vilket gör forskning om litiumjonbatterier och kondensatorprestanda genom användning av nya material av största vikt.
Konstruera ett nytt material
Kolhaltiga material dopade med kväve är det nuvarande dominerande valet i litiumlagringsbatterier och kondensatorer, med elektron- och jonöverföring de grundläggande processerna för elektrokemisk energilagring. Men eftersom kolhaltiga material är opolära – med laddningar fördelade lika över sina molekyler – det laddade litiumet (Li + ) fäster inte lätt på materialen, trots sin omättade konfiguration som ger den lämplig bindningsenergi.
Forskarna knöt därför kolnanofibrer med järn (Fe) för att reglera deras ytkemi för att underlätta ökad elektron- och jonöverföring. Med hjälp av elektrospinning producerade de en serie kolnanofiberprover med Fe-innehåll. De utvärderade sedan Li + lagringsprestanda för proverna med användning av en mängd olika elektrokemiska testmetoder. 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. + Utforska vidare
