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Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 16002 (2022) Citare questo articolo

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I nanocompositi di silicio (Si)-carbonio (C) strutturati tridimensionalmente hanno un grande potenziale come anodi nelle batterie agli ioni di litio (LIB). Qui, riportiamo un composito di grafene drogato con azoto/nanoparticelle di Si/nanofibra di carbonio incapsulato con carbonio (NG/C@Si/CNF) preparato mediante metodi di modificazione della superficie, autoassemblaggio elettrostatico, reticolazione con trattamento termico e ulteriore carbonizzazione come potenziale anodo ad alte prestazioni per le LIB. La matrice C drogata con N avvolta attorno alle nanoparticelle di Si ha migliorato la conduttività elettrica dei compositi e ha tamponato la variazione di volume delle nanoparticelle di Si durante la litiazione/delitiazione. Il CNF uniformemente disperso nei compositi ha agito come reti conduttive per il trasporto veloce di ioni ed elettroni. L'intero materiale organico strettamente connesso di NG/C@Si e CNF ha impedito la frantumazione e la perdita di particelle e ha mantenuto l'integrità della struttura dell'elettrodo. Il composito NG/C@Si/CNF ha mostrato una migliore capacità di velocità e prestazioni di ciclismo rispetto agli altri materiali degli elettrodi. Dopo 100 cicli, l'elettrodo ha mantenuto un'elevata capacità specifica reversibile di 1371,4 mAh/g.

I problemi ambientali causati dal riscaldamento globale stanno mettendo a dura prova la nostra sopravvivenza. Il fattore più importante che porta al riscaldamento globale sono le massicce emissioni di sostanze inquinanti come l’anidride carbonica. Le principali fonti di emissioni di carbonio (C) sono la combustione e il trasporto di combustibili fossili. Pertanto, lo sviluppo sostenibile delle nuove tecnologie energetiche costituisce un tema di ricerca urgente1,2,3. Le batterie ricaricabili agli ioni di litio (LIB) sono candidati promettenti per applicazioni di accumulo di energia nei veicoli elettrici/ibridi e nei dispositivi elettronici portatili, grazie alla loro elevata densità di energia, ampia tensione di lavoro, bassa autoscarica, grande potenza di uscita, elevata capacità di stoccaggio, buone prestazioni del ciclo e compatibilità ambientale. Per soddisfare la crescente domanda di apparecchiature per lo stoccaggio dell’energia, lo sviluppo di LIB con una migliore densità di energia e prestazioni del ciclo è diventato più importante4,5,6. Tra i vari materiali anodici, il silicio (Si) è uno dei materiali più promettenti grazie alla sua elevata capacità specifica teorica (~ 4200 mAh g−1), basso potenziale di lavoro (~ 0,4 V rispetto a Li/Li+), abbondanza, prezzo basso e sicurezza ambientale. Il Si è diventato un sostituto dei tradizionali materiali anodici a base di grafite con una capacità teorica di 372 mAh g−17,8,9. Tuttavia, l’applicazione pratica dei materiali a base di Si nelle LIB commerciali deve affrontare diverse sfide. La bassa conduttività dei materiali a base di Si determina scarse prestazioni della velocità dell'elettrodo. La variazione di volume (~ 300%) delle particelle di Si durante un ciclo provoca la rottura, la caduta e la perdita del contatto elettronico del materiale dell'elettrodo con un collettore di corrente. Provoca un rapido decadimento della capacità della batteria, una riduzione della durata del ciclo e danni alle celle della batteria. Infine, un tipico elettrolita forma un'interfaccia elettrolitica solida (SEI) sulla superficie del Si con un potenziale < 1 V. Durante una variazione di volume, il SEI può rompersi ed esporre le particelle di Si; quindi, si forma più SEI sulla superficie del Si esposta. Il film SEI aumenta continuamente lo spessore totale dello strato di particelle di Si e riempie rapidamente i fori degli elettrodi, impedendo la trasmissione di ioni di litio ed elettroni. Ciò si traduce rispettivamente in un aumento e una diminuzione dell'impedenza e della conduttività, che influiscono sulla stabilità del ciclo di una batteria10,11,12,13.

Per risolvere i problemi sopra menzionati, le nanoparticelle di Si sono state rivestite/incapsulate con materiali a base di C (ad esempio, C amorfo da vari precursori di C, grafene (G), nanotubi di C e nanofibre di carbonio (CNF) con elevata resistenza alla grafitizzazione)14 ,15,16. Le nanoparticelle di Si possono accorciare la distanza del percorso di trasmissione del Li+ e mantenere la variazione di volume durante un ciclo. La matrice inerte/attiva può fungere da strato tampone con elevata conduttività e forte resistenza meccanica, che migliorano la stabilità strutturale e la conduttività. Recentemente, G è stato riconosciuto come materiale di rivestimento ad alta efficienza nella preparazione di LIB grazie alle sue proprietà uniche come elevata conduttività elettrica, stabilità chimica, elevata stabilità termica, eccellente flessibilità meccanica ed elevata area superficiale teorica. Ha una potenziale applicazione nello stoccaggio di energia. I materiali compositi Si/C a base di G possono alleviare la variazione di volume delle nanoparticelle di Si e formare un film SEI stabile. Può anche migliorare la conduttività elettrica e le prestazioni di stoccaggio del litio delle nanoparticelle di Si. Inoltre, i vuoti creati dai difetti di posti vacanti nel G aprono canali per la trasmissione degli ioni, aumentano la permeabilità del G agli ioni e migliorano il coefficiente di diffusione degli ioni e la reattività. Difetti di drogaggio e posti vacanti migliorano l'interazione tra gli atomi adsorbiti e G17,18. L'ossido di grafene (GO) è il precursore G più comune utilizzato nella sintesi dei nanocompositi G. GO ridotto drogato con atomi di azoto (N) (rGO drogato con N) può migliorare efficacemente le proprietà fisiche ed elettrochimiche di G. Roshni Yadav et al. ha esaminato la sintesi, la caratterizzazione e le potenziali applicazioni del G19 drogato con N. Quando un atomo di N viene drogato in G, si osservano tre configurazioni di legame comuni nel reticolo C tra cui N quaternario (o N di grafite), N di piridina e N di pirrolo. Generalmente, la piridina N si lega a due atomi di C ai bordi o ai difetti del grafene e contribuisce con l'elettrone ap al sistema π. Pirrolo N significa che l'atomo di N contribuisce con due elettroni p a un sistema π ed è legato inutilmente a un anello a cinque membri (ad esempio, pirrolo). L'N quaternario è l'atomo di N che sostituisce l'atomo di C nell'anello esagonale. La piridina N e l'N quaternario sono ibridati sp2 mentre il pirrolo N è ibridato sp3. La grafite N, la piridina N e il pirrolo N migliorano la conduttività di un materiale, determinano l'attività elettrochimica e migliorano il trasferimento di carica, rispettivamente20,21,22,23. Gli studi hanno dimostrato che gli atomi di N con due elettroni a coppia solitaria sono più elettronegativi degli atomi di C. Pertanto, la densità elettronica del C drogato con N diminuisce con una maggiore attività elettrochimica. A causa dell'elettronegatività di N, gli elettroni della coppia solitaria N sono ibridati con il sistema G π. In un piano di grafite, il coniugato ap – π si forma tra la coppia solitaria di elettroni N e gli elettroni π di G, il che migliora la capacità di trasferimento di carica di G drogato con N; quindi, aumentando la conduttività24,25,26.