Uno studio su Ti

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 4851 (2022) Citare questo articolo

2856 accessi

4 citazioni

2 Altmetrico

Dettagli sulle metriche

Tra i molti ossidi di metalli di transizione, le batterie agli ioni di litio (LIB) basate su anodi Fe3O4 sono state ben studiate a causa della loro elevata energia ed elevata capacità. Il ferro è noto per l'abbondanza degli elementi ed è relativamente rispettoso dell'ambiente e contiene una bassa tossicità. Tuttavia, le LIB basate su Fe3O4 soffrono di aggregazione di particelle durante i processi di carica-scarica che influisce sulle prestazioni del ciclo. Questo studio ipotizza che l'agglomerazione del ferro e le prestazioni del materiale potrebbero essere influenzate dalla scelta del drogante e si cercano miglioramenti con nanoparticelle Fe3O4 drogate con 0,2% Ti. Le misurazioni elettrochimiche mostrano una capacità specifica stabile di 450 mAh g−1 a una velocità di 0,1 C per almeno 100 cicli in Fe3O4 drogato con Ti. Si ottiene la stabilità nella capacità di scarica per Fe3O4 drogato con Ti, derivante da una buona conduttività elettronica e stabilità nella microstruttura e nella struttura cristallina, che è stata ulteriormente confermata dal calcolo della teoria del funzionale della densità (DFT). Le analisi dettagliate della funzione di distribuzione dei tempi di rilassamento (DFRT) basate sugli spettri di impedenza rivelano due diversi tipi di fenomeni di trasporto degli ioni Li, che sono strettamente correlati alla differenza di densità elettronica vicino ai due siti Fe. Analisi dettagliate sulle misurazioni EIS utilizzando DFRT per Fe3O4 drogato con Ti indicano che il miglioramento dei processi di trasferimento di carica interfacciale tra l'elettrodo e il metallo Li insieme a una fase litiata intermedia aiuta a migliorare le prestazioni elettrochimiche.

Le batterie ricaricabili agli ioni di litio (LIB) hanno attirato continua attenzione grazie alle loro eccezionali proprietà, tra cui l'elevata efficienza energetica, la mancanza di effetto memoria, il lungo ciclo di vita, l'elevata energia e l'elevata densità di potenza1,2,3. È stato considerato la fonte di energia primaria per dispositivi elettronici portatili, veicoli elettrici ibridi (HEV) e veicoli elettrici ibridi plug-in (PHEV)4,5. La grafite è stata ampiamente utilizzata come materiale anodico nelle LIB a causa della sua struttura a strati, che consente l'inserimento/estrazione del litio durante i processi di carica e scarica, che fornisce una capacità specifica teorica di 372 mAh g−1. Tuttavia, una capacità reversibile relativamente bassa e una scarsa stabilità del ciclo a velocità più elevate ne limitano l’uso nei veicoli HEV e PHEV5, dove le applicazioni devono soddisfare un’elevata energia e un’elevata densità di potenza.

Per trovare un possibile sostituto della grafite, sono stati studiati ossidi di metalli di transizione come NiO6,7, Fe3O48,9, Fe2O310,11,12, SnO213, Co3O414 e CuO15 a causa della loro capacità di assorbire ioni Li+16 in eccesso durante la carica e processi di scarica che portano ad un'elevata capacità teorica (∼700—1000 mAh g−1). Tra questi ossidi metallici, i LIB a base di anodi Fe3O4 sono stati ben studiati a causa della loro elevata energia, elevata capacità, compatibilità ambientale e abbondanza di elementi. Sfortunatamente, le LIB basate su Fe3O4 soffrono di aggregazione di particelle durante i processi di carica-scarica che influisce sulle prestazioni del ciclo. È ben documentato che la struttura dell’elettrodo è difficile da mantenere dopo diversi cicli di carica-scarica17. Pertanto, sono stati condotti studi approfonditi utilizzando nanoparticelle Fe3O4 modificate con carbonio nelle sue varie forme tra cui foglio18, sfera19, nanotubo20 e fibra di carbonio21, per stabilizzare la durata del ciclo e la capacità di velocità. I nanocompositi Fe3O4 a base di grafene come materiale anodico nelle LIB mostrano un miglioramento delle proprietà elettrochimiche con una perdita di capacità del 5% dopo 100 cicli alla velocità di 1 C22. D'altra parte, il rapporto sull'effetto del drogaggio del terzo elemento su Fe3O4 che mostra prestazioni elettrochimiche migliorate è relativamente scarso. Un esempio notevole è il nanocomposito Fe3O4/Cu a base di Fe3O4, che mostra elevate prestazioni di reversibilità del ciclo fino a 500 cicli a 300 mAh g−123.