Trois

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 16002 (2022) Citer cet article

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Les nanocomposites silicium (Si) – carbone (C) structurés en trois dimensions ont un grand potentiel en tant qu'anodes dans les batteries lithium-ion (LIB). Nous rapportons ici un composite graphène dopé à l'azote/nanoparticules de Si encapsulées au carbone/nanofibres de carbone (NG/C@Si/CNF) préparé par des méthodes de modification de surface, d'auto-assemblage électrostatique, de réticulation avec traitement thermique et de carbonisation ultérieure. comme anode potentielle haute performance pour les LIB. La matrice C dopée au N enroulée autour des nanoparticules de Si a amélioré la conductivité électrique des composites et a tamponné le changement de volume des nanoparticules de Si pendant la lithiation/délithiation. Les CNF uniformément dispersés dans les composites ont agi comme des réseaux conducteurs pour le transport rapide des ions et des électrons. L'ensemble de la matière organique étroitement liée de NG/C@Si et de CNF a empêché l'écrasement et la perte de particules et a maintenu l'intégrité de la structure de l'électrode. Le composite NG/C@Si/CNF présentait une meilleure capacité de débit et de meilleures performances de cyclage par rapport aux autres matériaux d'électrode. Après 100 cycles, l'électrode a conservé une capacité spécifique réversible élevée de 1 371,4 mAh/g.

Les problèmes environnementaux causés par le réchauffement climatique menacent gravement notre survie. Le facteur le plus important du réchauffement climatique est l’émission massive de polluants tels que le dioxyde de carbone. Les principales sources d’émissions de carbone (C) sont la combustion et le transport de combustibles fossiles. Par conséquent, le développement durable des nouvelles technologies énergétiques constitue un sujet de recherche urgent1,2,3. Les batteries rechargeables au lithium (Li)-ion (LIB) sont des candidats prometteurs pour les applications de stockage d'énergie dans les véhicules électriques/hybrides et les appareils électroniques portables, en raison de leur densité énergétique élevée, de leur large tension de fonctionnement, de leur faible autodécharge, de leur grande puissance de sortie, de leur haute capacité de stockage, bonnes performances de cycle et compatibilité environnementale. Pour répondre à la demande croissante d’équipements de stockage d’énergie, le développement de LIB offrant une meilleure densité énergétique et de meilleures performances de cycle est devenu plus important4,5,6. Parmi les différents matériaux d'anode, le silicium (Si) est l'un des matériaux les plus prometteurs en raison de sa capacité spécifique théorique élevée (~ 4 200 mAh g−1), de son faible potentiel de fonctionnement (~ 0,4 V contre Li/Li+), de son abondance et de son prix bas. et la sécurité environnementale. Le Si est devenu un substitut aux matériaux d'anode traditionnels à base de graphite avec une capacité théorique de 372 mAh g−17,8,9. Cependant, l’application pratique des matériaux à base de Si dans les LIB commerciaux se heurte à plusieurs défis. La faible conductivité des matériaux à base de Si entraîne de mauvaises performances de débit d'électrode. Le changement de volume (~ 300 %) des particules de Si au cours d'un cycle provoque l'écrasement, la chute et la perte du contact électronique du matériau de l'électrode avec un collecteur de courant. Cela entraîne une dégradation rapide de la capacité de la batterie, un raccourcissement de sa durée de vie et des dommages aux cellules de la batterie. Enfin, un électrolyte typique forme une interface électrolyte solide (SEI) sur la surface du Si à un potentiel < 1 V. Lors d'un changement de volume, le SEI peut se fissurer et exposer des particules de Si ; ainsi, davantage de SEI se forme sur la surface de Si exposée. Le film SEI augmente continuellement l'épaisseur totale de la couche de particules de Si et remplit rapidement les trous des électrodes, empêchant ainsi la transmission des ions Li et des électrons. Cela entraîne respectivement une augmentation et une diminution de l'impédance et de la conductivité, ce qui affecte la stabilité du cycle d'une batterie10,11,12,13.

Pour résoudre les problèmes mentionnés ci-dessus, les nanoparticules de Si ont été recouvertes/encapsulées par des matériaux à base de C (par exemple, C amorphe provenant de divers précurseurs de C, graphène (G), nanotubes de C et nanofibres de carbone (CNF) à haute force de graphitisation)14 ,15,16. Les nanoparticules de Si peuvent raccourcir la distance du chemin de transmission du Li+ et maintenir le changement de volume au cours d'un cycle. La matrice inerte/active peut agir comme une couche tampon avec une conductivité élevée et une forte résistance mécanique, ce qui améliore la stabilité structurelle et la conductivité. Récemment, G a été reconnu comme un matériau de revêtement à haute efficacité dans la préparation des LIB en raison de ses propriétés uniques telles qu'une conductivité électrique élevée, une stabilité chimique, une stabilité thermique élevée, une excellente flexibilité mécanique et une surface théorique élevée. Il a une application potentielle dans le stockage d’énergie. Les matériaux composites Si/C à base de G peuvent atténuer le changement de volume des nanoparticules de Si et former un film SEI stable. Cela peut également améliorer la conductivité électrique et les performances de stockage du Li des nanoparticules de Si. De plus, les vides créés par les défauts de lacune dans G ouvrent des canaux pour la transmission des ions, augmentent la perméabilité de G aux ions et améliorent le coefficient de diffusion ionique et la réactivité. Les défauts de dopage et les lacunes améliorent l'interaction entre les atomes adsorbés et le G17,18. L'oxyde de graphène (GO) est le précurseur de G le plus couramment utilisé dans la synthèse de nanocomposites de G. Le GO réduit dopé par des atomes d'azote (N) (rGO dopé au N) peut améliorer efficacement les propriétés physiques et électrochimiques de G. Roshni Yadav et al. a examiné la synthèse, la caractérisation et les applications potentielles du G19 dopé au N. Lorsqu'un atome de N est dopé en G, trois configurations de liaisons courantes dans le réseau C, notamment le N quaternaire (ou graphite N), la pyridine N et le pyrrole N, sont observées. Généralement, la pyridine N se lie à deux atomes de C aux bords ou aux défauts du graphène et apporte un électron ap au système π. Pyrrole N signifie que l'atome N apporte deux électrons p à un système π et est inutilement lié à un cycle à cinq chaînons (par exemple, le pyrrole). Le N quaternaire est l'atome N qui remplace l'atome C dans l'anneau hexagonal. La pyridine N et le N quaternaire sont hybridés sp2 tandis que le pyrrole N est hybridé sp3. Le graphite N, la pyridine N et le pyrrole N améliorent respectivement la conductivité d'un matériau, déterminent l'activité électrochimique et améliorent le transfert de charge 20,21,22,23. Des études ont montré que les atomes de N comportant deux électrons isolés sont plus électronégatifs que les atomes de C. Par conséquent, la densité électronique du C dopé au N diminue avec une activité électrochimique plus forte. En raison de l'électronégativité de N, N électrons de doublet isolé sont hybridés avec le système G π. Dans un plan de graphite, un conjugué ap – π est formé entre la paire libre d'électrons N et les électrons π de G, ce qui améliore la capacité de transfert de charge du G dopé au N ; augmentant ainsi la conductivité24,25,26.