Energia specifica 136,4Wh/kg! Elevato rapporto di nanofili di grafite basati su nanofili di grafite drogati con Li3VO4/N

I supercondensatori sono componenti emergenti per lo stoccaggio dell’energia negli ultimi anni. Le loro caratteristiche eccezionali sono l’elevata densità di potenza e la lunga durata, ma la loro densità di energia è molto bassa (meno di 10 Wh/kg) e le batterie agli ioni di litio hanno un’elevata densità di energia (oltre 200 Wh/kg). ), ma le prestazioni energetiche sono scarse e le prestazioni del ciclo non sono buone quanto quelle di un supercondensatore. Nel campo dei veicoli elettrici abbiamo bisogno sia di un’elevata densità di energia (maggiore autonomia), di un’elevata densità di potenza (velocità di ricarica più rapida) e di un ciclo di vita più lungo (maggiore durata della batteria), quindi è emersa una combinazione di componenti di accumulo di energia con i vantaggi dei supercondensatori e delle batterie agli ioni di litio: i condensatori agli ioni di litio. In generale, un condensatore agli ioni di litio è composto da un elettrodo positivo di un supercondensatore e da un elettrodo negativo di una batteria agli ioni di litio, e gli elettrodi su entrambi i lati rispettano i rispettivi principi di funzionamento, raggiungendo così lo scopo di aumentare notevolmente la densità di energia e la densità di potenza del condensatore.

Recentemente, l'Università cinese di scienza e tecnologia, l'Accademia cinese delle scienze e il Max Planck Solid Research Institute tedesco hanno sviluppato congiuntamente un contenitore per batterie agli ioni di litio ad alta energia basato su nanofili di grafite drogati con Li3VO4/N. Con una densità di potenza di 532 W/kg, il condensatore ha un'elevata densità di energia. 136,4Wh/kg, i risultati sono stati pubblicati nell'ultimo numero di advanced material.

Rispetto a Li4Ti5O12, TiO2, H2Ti6O13 e altri materiali, il materiale Li3VO4 ha le caratteristiche di bassa tensione di inserzione (0,2-1,0 V), elevata capacità (394 mAh/g) e vantaggi di piccoli cambiamenti nella struttura e nel volume durante la carica e la scarica. Ciò lo rende molto adatto come materiale anodico per condensatori agli ioni di litio, ma la conduttività del materiale Li3VO4 è molto bassa (<10-10S/cm), il che limita notevolmente anche la velocità della reazione di intercalazione Li+, limitando la densità di potenza del condensatore agli ioni di litio. Il rivestimento in carbonio e la nanocristallizzazione sono metodi comunemente usati per migliorare la conduttività dei materiali. Al fine di migliorare la conduttività del materiale Li3VO4, Liifa Shen ha sintetizzato nanofili compositi di grafite drogata con Li3VO4/N con struttura a baccello di pisello utilizzando il metodo mostrato nella figura sopra. Questa struttura supera lo svantaggio della bassa conduttività del materiale Li3VO4. Con elevata velocità di diffusione del Li+ e degli elettroni. Con questo materiale come elettrodo negativo, il materiale di carbonio è un elettrodo positivo combinato per diventare un condensatore agli ioni di litio e l'energia specifica può raggiungere 136,4 Wh/kg (a una densità di potenza di 532 W/kg).

L'equazione della reazione di inserimento del litio del materiale Li3VO4 è mostrata nella figura seguente. Nel test di voltammetria ciclica, i picchi della corrente di riduzione compaiono rispettivamente a 0,73 V e 0,53 V, mentre i picchi della corrente di ossidazione compaiono rispettivamente a 0,76 V e 1,34 V. Vale la pena notare che, ad eccezione del primo ciclo, le curve degli altri cicli si sovrappongono completamente.

I risultati dei test sulle prestazioni elettrochimiche del materiale Li3VO4 sono mostrati nella figura seguente. La curva di carica e scarica è mostrata nella Figura a. La capacità di scarica iniziale e la capacità di carica sono rispettivamente 529 mAh/g e 413 mAh/g. La Figura b mostra il test di prestazione del tasso. Puoi vedere dai risultati del test. Con una densità di corrente di 1, 2, 4 e 8 A/g, la capacità del materiale può raggiungere 372, 354, 333 e 300 mAh/g. Con un'elevata densità di corrente di 12 e 20 A/g, la capacità di scarica del materiale rimane fino a 271 e 203 mAh/g, indicando che il materiale ha prestazioni di velocità molto buone. Dalle prestazioni del ciclo della Figura c, possiamo vedere che il materiale ha prestazioni del ciclo molto buone. Con la densità attuale di 320 mAh/g, il tasso di mantenimento della capacità del ciclo 500 volte può raggiungere il 96% e il tasso di mantenimento della capacità del ciclo 1500 volte può raggiungere l'88%.

Laifa Shen ritiene che le eccellenti prestazioni elettrochimiche dei nanofili compositi di grafite drogata con Li3VO4/N possano trarre vantaggio dalla sua struttura unica. La grafite interna drogata con N forma un'ottima rete elettronicamente conduttiva all'interno del materiale e la grafite rivestita esternamente il materiale può inibire bene l'agglomerazione e la crescita del materiale Li3VO4 e mantenere la sua nanostruttura, riducendo così notevolmente la distanza di diffusione di Li+ ed e-, migliorando così le prestazioni di velocità del materiale e la durata del ciclo.

Secondo i calcoli di primo grado, LaifaShen ritiene che nei cristalli Li3VO4, Li+ possa essere incorporato nei siti 2a e 4b, ma è più propenso al sito 2a. Le potenziali barriere per la diffusione del Li+ ai siti 2a e 4b sono mostrate nelle Figure c e d. Si può vedere che la barriera all'ingresso del Li+ in 2a è significativamente inferiore alla diffusione in 4b, mentre seguiamo anche il materiale. All'aumentare della concentrazione di Li+, aumenta anche la barriera alla diffusione del Li+. I calcoli mostrano anche che anche se in ciascuna cella del cristallo Li3VO4 sono incorporati due Li+, l'espansione volumetrica è solo del 4%, il che garantisce anche buone prestazioni di ciclismo del materiale Li3VO4.

I condensatori agli ioni di litio realizzati in materiale Li3VO4 sono mostrati nella figura seguente. L'elettrodo positivo è carbone attivo e l'elettrodo negativo è materiale Li3VO4. La tensione di lavoro di questo condensatore è fino a 4,2 V. Quando la tensione di carica viene aumentata da 3,0 V a 4,0 V, l'energia specifica del condensatore può essere aumentata da 25,5 Wh/kg a 120,2 Wh/kg e la densità di energia può essere aumentata fino al 470%.

La relazione tra la densità di potenza e la densità di energia del condensatore è mostrata nella figura seguente. Con una densità di potenza di 532 W/kg, la densità di energia può raggiungere 136,4 Wh/kg. Anche con una densità di potenza di 11020 W/kg, l'energia specifica può ancora raggiungere 24,4 Wh. /kg, che è molto più elevato rispetto ad altri tipi di condensatori agli ioni di litio.

La relazione tra la densità di potenza e la densità di energia del condensatore è mostrata nella figura seguente. Con una densità di potenza di 532 W/kg, la densità di energia può raggiungere 136,4 Wh/kg. Anche con una densità di potenza di 11020 W/kg, l'energia specifica può ancora raggiungere 24,4 Wh. /kg, che è molto più elevato rispetto ad altri tipi di condensatori agli ioni di litio.