Elettrodo macroporoso 3D e alto

Scientific Reports volume 6, numero articolo: 18626 (2016) Citare questo articolo

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Un’architettura porosa tridimensionale costituisce una struttura elettrodica attraente, poiché ha un’integrità strutturale intrinseca e una capacità di tamponare lo stress nelle batterie agli ioni di litio causato dai grandi cambiamenti di volume nei materiali anodici ad alta capacità durante il ciclo. Qui riportiamo la prima dimostrazione di un anodo in schiuma di Cu macroporosa rivestito con SnO2 impiegando una combinazione facile e scalabile di processi di freeze-casting direzionale e di rivestimento sol-gel. L'anodo tridimensionale interconnesso è composto da canali su microscala allineati separati da pareti di Cu rivestite con SnO2 e pori micrometrici molto più fini, che si aggiungono alla superficie e forniscono spazio per l'espansione del volume dello strato di rivestimento di SnO2. Con questo anodo, otteniamo un'elevata capacità reversibile di 750 mAh g−1 alla velocità di corrente di 0,5 C dopo 50 cicli e un'eccellente capacità di velocità di 590 mAh g−1 a 2 C, che è vicina alle migliori prestazioni di Sn- materiale su scala nanometrica finora.

Lo sviluppo di tecnologie per dispositivi elettronici portatili, veicoli elettrici e applicazioni di stoccaggio dell'energia su scala di rete richiede batterie agli ioni di litio (LIB) ad alte prestazioni con elevata energia e densità di potenza e buona stabilità del ciclo1,2. Il biossido di stagno (SnO2), come alternativa promettente all'anodo di grafite attualmente utilizzato per le LIB di prossima generazione, ha ricevuto molta attenzione a causa della sua elevata capacità teorica di 781 mAh g−1, che è 2 volte superiore a quella dell'anodo di grafite convenzionale ( 372mAhg−1)3,4. Tuttavia, l'applicazione pratica dell'anodo a base di SnO2 è stata ostacolata dalle variazioni di volume intrinsecamente gravi (fino al 300%) durante le grandi quantità di inserimento ed estrazione di ioni Li; ciò può causare una polverizzazione del materiale attivo e una perdita di contatto elettrico con conseguente scarsa ritenzione della capacità3,4,5. Per risolvere questo problema sono state proposte diverse strategie, come elettrodi su scala nanometrica6,7,8, elettrodi ibridati con carbonio o polimeri9,10,11,12 ed elettrodi progettati per architetture uniche13,14,15,16.

Un'architettura metallica porosa tridimensionale (3D) dovrebbe offrire diversi importanti vantaggi, tra cui: (i) facile accesso dell'elettrolita alla superficie dell'elettrodo, (ii) trasferimento di carica facilitato attraverso l'interfaccia tra elettrodo ed elettrolita, (iii) riduzione dello stress sulla polverizzazione del materiale attivo fornendo spazi vuoti per assorbire le grandi variazioni di volume, inoltre, (iv) percorsi elettronici elevati nel gruppo elettrodo17,18,19. Sono state esplorate varie realizzazioni dell'impalcatura metallica 3D, come la struttura opale inversa18,20, la rete di acciaio inossidabile21, le schiume22,23,24, lunghe catene di particelle25 e fibre26 o l'assemblaggio di fili27. Inoltre, un'architettura di distribuzione a doppia dimensione e forma dei pori, un'impalcatura metallica altamente porosa interdigitata, può migliorare la densità del volume del materiale attivo aumentando l'area superficiale dell'impalcatura 3D come modello per il materiale attivo depositato o come materiale attivo stesso18, 28. Un processo di freeze-casting è un metodo semplice, versatile e promettente per preparare una struttura dei pori su microscala altamente interconnessa29,30. In questo processo a basso costo e scalabile, una soluzione viene congelata e il solvente congelato viene quindi rimosso mediante liofilizzazione, formando una struttura corporea macroporosa come una replica della struttura del solvente solidificato29,30. Poiché si tratta di un processo fisico senza reazioni chimiche e poiché utilizza cristalli di ghiaccio ottenuti dall'acqua o da altre forme di stampo liquido, la colata per congelamento generalmente provoca pori sulla superficie della struttura dell'ordine di decine di micrometri di dimensione contemporaneamente al canale- come pori di diverse decine di micrometri nella struttura.

Riportiamo qui un nuovo concetto di design dell'anodo SnO2, per la prima volta, basato su una schiuma Cu macroporosa 3D con una distribuzione a doppia dimensione dei pori mediante una tecnica di freeze-casting direzionale. La schiuma di Cu viene utilizzata sia come collettore di corrente anodica che come modello per uno strato di rivestimento di SnO2. La schiuma Cu macroporosa 3D fornisce sia puntoni metallici continui che agiscono come efficaci percorsi elettronici sia spazi vuoti locali per alleviare lo stress generato da grandi cambiamenti di volume dello strato di rivestimento SnO2 durante il ciclismo. Questa combinazione di proprietà dell'elettrodo dimostra un'elevata capacità reversibile, una capacità di velocità superiore e un mantenimento del ciclo stabile preservandone l'integrità strutturale.