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Scientific Reports volume 12, Artigo número: 16002 (2022) Citar este artigo

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Nanocompósitos tridimensionalmente estruturados de silício (Si)-carbono (C) têm grande potencial como ânodos em baterias de íon-lítio (LIBs). Aqui, relatamos um compósito de grafeno dopado com nitrogênio / nanopartículas de Si encapsuladas em carbono / nanofibra de carbono (NG / C@Si / CNF) preparado por métodos de modificação de superfície, automontagem eletrostática, reticulação com tratamento térmico e posterior carbonização como um ânodo potencial de alto desempenho para LIBs. A matriz C dopada com N envolvida em nanopartículas de Si melhorou a condutividade elétrica dos compósitos e tamponou a mudança de volume das nanopartículas de Si durante a litiação/delitiação. O CNF uniformemente disperso em compósitos atuou como redes condutoras para o transporte rápido de íons e elétrons. Todo o material orgânico firmemente conectado de NG/C@Si e CNF evitou o esmagamento e derramamento de partículas e manteve a integridade da estrutura do eletrodo. O compósito NG/C@Si/CNF exibiu melhor capacidade de taxa e desempenho de ciclagem em comparação com outros materiais de eletrodo. Após 100 ciclos, o eletrodo manteve uma alta capacidade específica reversível de 1371,4 mAh/g.

Os problemas ambientais causados ​​pelo aquecimento global têm trazido grandes ameaças à nossa sobrevivência. O fator mais importante que leva ao aquecimento global são as emissões massivas de poluentes como o dióxido de carbono. As principais fontes de emissões de carbono (C) são a queima e o transporte de combustíveis fósseis. Portanto, o desenvolvimento sustentável de novas tecnologias energéticas são temas de investigação urgentes1,2,3. Baterias recarregáveis ​​de íons de lítio (Li) (LIBs) são candidatas promissoras para aplicações de armazenamento de energia em veículos elétricos/híbridos e dispositivos eletrônicos portáteis, devido à sua alta densidade de energia, ampla tensão de trabalho, baixa autodescarga, grande potência de saída, alta capacidade de armazenamento, bom desempenho de ciclo e compatibilidade ambiental. Para atender à crescente demanda por equipamentos de armazenamento de energia, o desenvolvimento de LIBs com melhor densidade energética e desempenho de ciclo tornou-se mais importante4,5,6. Entre vários materiais anódicos, o silício (Si) é um dos materiais mais promissores devido à sua alta capacidade específica teórica (~ 4200 mAh g-1), baixo potencial de trabalho (~ 0,4 V vs. Li/Li+), abundância, baixo preço e segurança ambiental. O Si tornou-se um substituto para os materiais anódicos tradicionais à base de grafite com capacidade teórica de 372 mAh g-17,8,9. No entanto, a aplicação prática de materiais à base de Si em LIBs comerciais enfrenta vários desafios. A baixa condutividade dos materiais à base de Si resulta em baixo desempenho da taxa do eletrodo. A mudança de volume (~ 300%) das partículas de Si durante um ciclo faz com que o material do eletrodo se quebre, caia e perca contato eletrônico com um coletor de corrente. Causa rápida deterioração na capacidade da bateria, redução do ciclo de vida e danos às células da bateria. Finalmente, um eletrólito típico forma uma interface de eletrólito sólido (SEI) na superfície do Si a um potencial <1 V. Durante uma mudança de volume, o SEI pode rachar e expor partículas de Si; assim, mais SEI é formado na superfície exposta do Si. O filme SEI aumenta continuamente a espessura total da camada de partículas de Si e preenche rapidamente os orifícios dos eletrodos, evitando a transmissão de íons de lítio e elétrons. Isso resulta em aumento e diminuição da impedância e condutividade, respectivamente, que afetam a estabilidade do ciclo de uma bateria10,11,12,13.

Para resolver os problemas acima mencionados, as nanopartículas de Si foram revestidas/encapsuladas por materiais à base de C (por exemplo, C amorfo de vários precursores de C, grafeno (G), nanotubos de C e nanofibras de carbono (CNF) com alta resistência à grafitização) . ,15,16. As nanopartículas de Si podem encurtar a distância do caminho de transmissão do Li+ e manter a mudança de volume durante um ciclo. A matriz inerte/ativa pode atuar como uma camada tampão com alta condutividade e forte resistência mecânica, o que aumenta a estabilidade estrutural e a condutividade. Recentemente, o G foi reconhecido como um material de revestimento de alta eficiência na preparação de LIBs devido às suas propriedades únicas, como alta condutividade elétrica, estabilidade química, alta estabilidade térmica, excelente flexibilidade mecânica e alta área superficial teórica. Tem aplicação potencial no armazenamento de energia. Materiais compósitos Si/C baseados em G podem aliviar a mudança de volume das nanopartículas de Si e formar um filme SEI estável. Também pode melhorar a condutividade elétrica e o desempenho de armazenamento de Li de nanopartículas de Si. Além disso, os vazios criados por defeitos de vacância em G abrem canais para transmissão iônica, aumentam a permeabilidade de G aos íons e melhoram o coeficiente de difusão iônica e a reatividade. Defeitos de dopagem e vagas aumentam a interação entre átomos adsorvidos e G17,18. O óxido de grafeno (GO) é o precursor de G mais comum usado na síntese de nanocompósitos de G. GO reduzido dopado com átomo de nitrogênio (N) (rGO dopado com N) pode melhorar efetivamente as propriedades físicas e eletroquímicas de G. Roshni Yadav et al. revisou a síntese, caracterização e aplicações potenciais do G19 dopado com N. Quando um átomo de N é dopado em G, são observadas três configurações de ligação comuns na rede C, incluindo N quaternário (ou N de grafite), piridina N e pirrol N. Geralmente, a piridina N se liga a dois átomos de C nas bordas ou defeitos do grafeno e contribui com um elétron para o sistema π. Pirrol N significa que o átomo de N contribui com dois elétrons p para um sistema π e está ligado desnecessariamente a um anel de cinco membros (por exemplo, pirrol). O N quaternário é o átomo de N que substitui o átomo de C no anel hexagonal. A piridina N e o N quaternário são hibridizados com sp2, enquanto o pirrol N é hibridizado com sp3. Grafite N, piridina N e pirrol N melhoram a condutividade de um material, determinam a atividade eletroquímica e melhoram a transferência de carga, respectivamente20,21,22,23. Estudos mostraram que átomos de N com dois pares de elétrons isolados são mais eletronegativos que átomos de C. Portanto, a densidade eletrônica do C dopado com N torna-se menor com atividade eletroquímica mais forte. Devido à eletronegatividade de N, N elétrons de pares solitários são hibridizados com o sistema G π. Em um plano de grafite, o conjugado ap – π é formado entre o par solitário de N elétrons e os elétrons π de G, o que melhora a capacidade de transferência de carga de G dopado com N; assim, aumentando a condutividade24,25,26.