Исследование анодных материалов для высокопроизводительных литий-ионных аккумуляторов с помощью специализированных держателей для ПЭМ от компании ZEPTOOLS

Из-за их высокой плотности энергии и длительного срока службы, литий-ионные аккумуляторы (LIB) привлекли к себе широкое внимание, являясь важным устройством накопления энергии. С ростом спроса на технологии быстрой зарядки, разработка усовершенствованных электродных материалов приобрела особенно важное значение. В настоящее время, в качестве анодного материала литий-ионных аккумуляторов с высокой теоретической емкостью используется графит, но его большие начальные потери емкости затрудняют удовлетворение потребностей оборудования с высокой плотностью энергии. Кроме того, хотя электрод Li₄Ti₅O₁₂  обладает превосходной циклической стабильностью, его теоретическая емкость - низкая, что ограничивает плотность энергии LIB. Следовательно, разработка электродных материалов, обладающих высокой емкостью и превосходной структурной стабильностью, имеет важное значение для разработки аккумуляторов с быстрой зарядкой и длительным сроком службы.

Графическая характеристика Al-Nb₂O₅@NC

Во многих исследованиях пятиокись ниобия (Nb₂O₅) привлекала внимание своей сверхбыстрой динамикой накопления лития, демонстрируя его потенциал в качестве отрицательного электрода для LIB. В частности, было обнаружено, что пятиокись ниобия (T-Nb₂O₅) ортогональной кристаллической системы вступает в электрохимическую реакцию интеркаляции с ионами лития, проявляя псевдоемкостные характеристики. Однако, электронная проводимость Nb₂O₅ низкая, что серьезно ограничивает его фактическую емкость и характеристики увеличения. Чтобы улучшить проводимость и свойства Nb₂O₅, исследователи разработали специфическую наноструктуру Nb₂O₅ и улучшили ее электронную проводимость с помощью таких стратегий, как легирование ионами металлов, самолегирование и введение кислородных дефектов. Тем не менее, эти методы все еще сталкиваются с некоторыми серьезными ограничениями в практическом применении, такими как легкая агрегация, большая удельная площадь поверхности, сопровождающаяся большим количеством побочных реакций, и плохая стабильность. Кроме того, чтобы избежать нежелательных эффектов, таких как поляризация и структурная нестабильность при низких предельных напряжениях, большинство исследований обычно проводятся в потенциальном окне 1,0-3,0 В, но это, несомненно, приведет к снижению емкости. Следовательно, разработка эффективной стратегии для полной реализации потенциала T-Nb₂O₅ в диапазоне потенциалов 0,01-3,0 В является ключом к повышению его производительности в приложениях с быстрой зарядкой.

Исследовательская группа из Уханьского технологического университета использовала измерительную систему на основе Просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ) и специализированного держателя для ПЭМ от компании ZEPTOOLS для проведения углубленных исследований. Команда успешно подготовила микросферы ортонормированного пентоксида ниобия, легированного алюминием микронного масштаба (Al-Nb₂O₅ @ NC), встроенные в углеродную сетку, легированную азотом. Соответствующие результаты были опубликованы в журнале “Electrochimica Acta” как " Al-doped Nb₂O₅/carbon micro-particles anodes for high rate lithium-ion batteries". Ссылка на полный текст: https://doi.org/10.1016/j.electacta.2022.141796

Структурная эволюция Al-Nb₂O₅@NC

Исследование показало, что легированный алюминий не только повышает структурную стабильность материала, но и значительно улучшает проводимость ионов и электронов. Оптимизация этой структуры уменьшает миграцию Nb во время цикла, тем самым поддерживая стабильную емкость в условиях зарядки и разряда. С помощью просвечивающей электронной микроскопии in situ (in situ TEM) подтверждено, что Al-Nb₂O₅ @ NC обладает лучшей кристаллической целостностью и структурной стабильностью при интеркаляции ионов лития.

Эволюция морфологии и микроструктуры Al-Nb₂O₅@NC в литиевом процессе

Таким образом, благодаря расширению возможностей обычного ПЭМ за счёт установки специализированного держателя ZEPTOOLS для ПЭМ, исследователи могут разработать эффективную стратегию проектирования материалов и синтеза для изготовления анодных материалов для разработки и контроля литий-ионных аккумуляторов с высокой удельной емкостью, стабильностью и отличными характеристиками за счет сочетания углеродных сеток, легированных алюминием и азотом.

Подробнее о специализированных держателях для ПЭМ.
Узнать стоимость и характеристики электроизмерительной системы.