Investigadores de la Universidad Tecnológica de Toyohashi han demostrado el rendimiento electroquímico de las baterías de iones de litio (LIB) utilizando electrodos de nanotubos de carbono encapsulados en fósforo. en el que se introduce fósforo rojo de alta capacidad en el espaciamiento interno de los nanotubos de carbono (CNT). Los electrodos indicaron una mejora en la reactividad electroquímica del fósforo rojo cuando las vías accesibles de los iones de litio, es decir., nanoporos, se formaron en las paredes laterales de los NTC donde se encapsuló el fósforo rojo. Es más, los perfiles de carga-descarga y el análisis estructural revelaron reacciones electroquímicas reversibles y la estabilidad estructural relativamente alta del fósforo rojo en los nanotubos incluso después del 50º ciclo de carga-descarga. Las capacidades de carga-descarga muestran un valor dos veces o más alto que el del grafito utilizado en los LIB comerciales. Por lo tanto, Se propone un nuevo material de electrodo para LIB con alta capacidad.

El fósforo rojo ha atraído la atención como un material de electrodo capacitivo superior para LIB porque puede ofrecer una capacidad teórica aproximadamente siete veces mayor que la del grafito utilizado como material de electrodo comercial para LIB. Se cree que la gran diferencia en la capacidad se debe a una cantidad aceptable de iones de litio en las estructuras del grafito para LiC. ₆ o fósforo para Li ₃ P. Sin embargo, el fósforo rojo sufre enormes cambios volumétricos, pulverización, y pelado durante los procesos de inserción y extracción de iones de litio, resultando en un rápido desvanecimiento de la capacidad debido a la disminución en la cantidad de fósforo rojo electroquímicamente reactivo. Adicionalmente, mientras que los electrones se mueven hacia el electrodo durante la inserción / extracción de iones de litio, El fósforo rojo tiene una desventaja en términos de pérdida de energía debido a su baja conductividad electrónica.

Como se muestra en la Fig.1 (izquierda), Tomohiro Tojo y sus colegas del Departamento de Ingeniería de Información Eléctrica y Electrónica, Universidad Tecnológica de Toyohashi, han sintetizado estructuras únicas en las que el fósforo rojo se encapsula en el espacio interno de los CNT para evitar que se despegue del electrodo y mejorar su conductividad electrónica. Para mejorar la reactividad electroquímica del fósforo rojo a través de vías accesibles de iones de litio, nanoporos <5 nm) también se formaron en las paredes laterales de los CNT encapsulados en fósforo como se muestra en la Fig. 1 (derecha). Después de la encapsulación de fósforo, La figura 1 (izquierda) muestra que los átomos de fósforo se distribuyeron dentro de los nanotubos, confirmando la estabilidad estructural del fósforo rojo.

Usando electrodos CNT encapsulados en fósforo, una capacidad reversible mostró aproximadamente 850 mAh / g en el quincuagésimo ciclo de carga-descarga, como se muestra en la Fig. 2 (izquierda). Este fue un valor al menos dos veces mayor que el de los electrodos de grafito. La Figura 2 (derecha) muestra la relación estimada de capacidades de carga y descarga (eficiencias de Coulombic) de> 99% después del décimo ciclo y los ciclos posteriores, lo que indica una alta reversibilidad de las reacciones de carga-descarga en el fósforo rojo. Sin embargo, las capacidades de carga-descarga disminuyeron gradualmente al aumentar el número de ciclos debido a la disociación de algunos enlaces P-P y otras reacciones secundarias en la superficie del fósforo y los CNT. Curiosamente, el CNT encapsulado en fósforo con nanoporos facilitó la mejora significativa en el rendimiento electroquímico en comparación con el CNT encapsulado en fósforo sin nanoporos. Se sugiere que esto se debe a la alta reactividad del fósforo rojo con los iones de litio a través de los nanoporos en las paredes laterales. Después de los ciclos de carga-descarga, se observó fósforo rojo dentro de los nanotubos, como es el caso que se muestra en la Fig. 1 (izquierda).

Hemos propuesto CNT encapsulados en fósforo como material de electrodo para LIB de alta capacidad, aunque se requieren mejoras adicionales en las estructuras para lograr ciclos a largo plazo sin pérdida de capacidad. Se realizarán más estudios sobre la utilización de dichos electrodos.