Os materiais em camadas têm atraído atenção significativa como materiais de eletrodos promissores para vários sistemas de armazenamento de energia, incluindo baterias e supercapacitores. Esses materiais são caracterizados por suas estruturas bidimensionais únicas, constituídas por camadas empilhadas com locais de intercalação entre elas. As moléculas de água, devido ao seu pequeno tamanho, polaridade e capacidade de formar ligações de hidrogênio, podem intercalar-se efetivamente nessas estruturas em camadas e impactar significativamente a capacidade de armazenamento de íons dos materiais. Veja como a incorporação de água pode influenciar o armazenamento de íons:

1. Pseudocapacitância de intercalação:As moléculas de água podem se intercalar nos espaços intercamadas de materiais em camadas e participar do armazenamento de carga por meio de um processo conhecido como pseudocapacitância de intercalação. Durante o processo de carregamento, as moléculas de água sofrem reações redox faradaicas na superfície do eletrodo, contribuindo para a capacitância geral do material.

2. Condutividade iônica aprimorada:A intercalação de moléculas de água pode aumentar significativamente a condutividade iônica de materiais em camadas. As moléculas de água, por serem polares, facilitam o movimento dos íons dentro da estrutura do eletrodo. Este transporte iônico aprimorado permite uma transferência de carga mais rápida e reduz a resistência interna do eletrodo, resultando em melhor capacidade de taxa e densidade de potência.

3. Modificação Estrutural:A presença de moléculas de água pode induzir mudanças estruturais ou transições de fase em materiais em camadas. Essas modificações estruturais podem criar locais ativos adicionais para intercalação iônica e melhorar a acessibilidade da superfície do eletrodo aos íons eletrolíticos.

4. Efeitos de Solvatação:As moléculas de água podem solvatar íons no eletrólito, reduzindo suas interações eletrostáticas e facilitando seu transporte. Este efeito de solvatação aumenta a mobilidade iônica e melhora a cinética de difusão de íons dentro do material do eletrodo.

5. Reações Faradaicas Pseudocapacitivas:Em certos materiais em camadas, as moléculas de água podem participar de reações faradaicas pseudocapacitivas, contribuindo para a capacidade geral de armazenamento de carga. Estas reações envolvem a oxidação e redução de moléculas de água, levando a contribuições pseudocapacitivas adicionais.

No entanto, é importante notar que a incorporação de água também pode ter algumas desvantagens, como a degradação do eletrodo devido à instabilidade estrutural ou à decomposição do eletrólito. Portanto, são necessárias considerações cuidadosas e otimização para equilibrar os efeitos positivos e negativos da incorporação de água em materiais em camadas para aplicações de armazenamento de íons.