Um estudo sobre Ti

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 4851 (2022) Cite este artigo

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Entre muitos óxidos de metais de transição, as baterias de íons de lítio (LIBs) baseadas em ânodo de Fe3O4 têm sido bem investigadas devido à sua alta energia e alta capacidade. O ferro é conhecido pela abundância elementar e é relativamente ecológico, além de conter baixa toxicidade. No entanto, LIBs baseados em Fe3O4 sofrem agregação de partículas durante os processos de carga e descarga que afetam o desempenho do ciclo. Este estudo conjectura que a aglomeração de ferro e o desempenho do material podem ser afetados pela escolha do dopante, e melhorias são buscadas com nanopartículas de Fe3O4 dopadas com 0,2% de Ti. As medições eletroquímicas mostram uma capacidade específica estável de 450 mAh g−1 a uma taxa de 0,1 C por pelo menos 100 ciclos em Fe3O4 dopado com Ti. A estabilidade na capacidade de descarga para Fe3O4 dopado com Ti é alcançada, decorrente de boa condutividade eletrônica e estabilidade na microestrutura e estrutura cristalina, que foi posteriormente confirmada pelo cálculo da teoria funcional da densidade (DFT). Análises detalhadas da função de distribuição de tempos de relaxação (DFRTs) baseadas nos espectros de impedância revelam dois tipos diferentes de fenômenos de transporte de íons de lítio, que estão intimamente relacionados com a diferença de densidade de elétrons perto dos dois sítios de Fe. Análises detalhadas sobre medições de EIS usando DFRTs para Fe3O4 dopado com Ti indicam que a melhoria nos processos de transferência de carga interfacial entre o eletrodo e o metal Li, juntamente com uma fase litiada intermediária, ajuda a melhorar o desempenho eletroquímico.

As baterias recarregáveis ​​de íons de lítio (LIBs) têm atraído atenção contínua devido às suas excelentes propriedades, incluindo alta eficiência energética, falta de efeito de memória, ciclo de vida longo, alta energia e alta densidade de potência1,2,3. Tem sido considerada a principal fonte de energia para dispositivos eletrônicos portáteis, veículos elétricos híbridos (HEV) e veículos elétricos híbridos plug-in (PHEV)4,5. O grafite tem sido amplamente utilizado como material anódico em LIBs por causa de sua estrutura em camadas, que permite que o lítio seja inserido/extraído durante os processos de carga e descarga, o que dá uma capacidade específica teórica de 372 mAh g-1. No entanto, uma capacidade reversível relativamente baixa e baixa estabilidade de ciclo em uma taxa mais alta limitam seu uso em HEV e PHEV5, onde as aplicações precisam atender a alta energia e alta densidade de potência.

Para encontrar uma possível substituição para o grafite, óxidos de metais de transição como NiO6,7, Fe3O48,9, Fe2O310,11,12, SnO213, Co3O414 e CuO15 foram investigados devido à sua capacidade de absorver o excesso de Li+-ion16 durante o carregamento e processos de descarga que levam a uma alta capacidade teórica (∼700—1000 mAh g-1). Entre esses óxidos metálicos, os LIBs baseados em ânodo de Fe3O4 têm sido bem investigados por causa de sua alta energia, alta capacidade, compatibilidade ambiental e abundância de elementos. Infelizmente, LIBs baseados em Fe3O4 sofrem agregação de partículas durante os processos de carga-descarga que afetam o desempenho do ciclo. Está bem documentado que a estrutura do eletrodo é difícil de manter após vários ciclos de carga-descarga17. Portanto, extensos estudos foram realizados usando nanopartículas de Fe3O4 modificadas com carbono em suas várias formas, incluindo folha18, esfera19, nanotubo20 e fibra de carbono21, para estabilizar o ciclo de vida e a capacidade de taxa. Os nanocompósitos de Fe3O4 à base de grafeno como material de ânodo em LIBs mostram aprimoramento nas propriedades eletroquímicas com uma perda de capacidade de 5% após o 100º ciclo a uma taxa de 1 C22. Por outro lado, o relatório sobre o efeito da dopagem do terceiro elemento para Fe3O4 mostrando desempenho eletroquímico aprimorado é relativamente escasso. Um exemplo notável é o nanocompósito Fe3O4/Cu baseado em Fe3O4, que mostra desempenho de alta reversibilidade de ciclo de até 500 ciclos a 300 mAh g-123.