Pesquisadores da Toyohashi University of Technology demonstraram o desempenho eletroquímico de baterias de íons de lítio (LIBs) usando eletrodos de nanotubos de carbono encapsulados em fósforo, em que o fósforo vermelho com alta capacidade é introduzido no espaçamento interno dos nanotubos de carbono (CNTs). Os eletrodos indicaram uma melhora na reatividade eletroquímica do fósforo vermelho quando as vias acessíveis de íons de lítio, ou seja, nanoporos, foram formados nas paredes laterais dos CNTs onde o fósforo vermelho foi encapsulado. Além disso, os perfis de carga-descarga e a análise estrutural revelaram reações eletroquímicas reversíveis e a estabilidade estrutural relativamente alta do fósforo vermelho nos nanotubos, mesmo após o 50º ciclo de carga-descarga. As capacidades de carga-descarga mostram um valor duas vezes ou superior do que o grafite usado em LIBs comerciais. Portanto, um novo material de eletrodo para LIBs com alta capacidade é proposto.

O fósforo vermelho tem atraído a atenção como um material de eletrodo capacitivo superior para LIBs porque pode fornecer uma capacidade teórica aproximadamente sete vezes maior do que a do grafite usado como um material de eletrodo comercial para LIBs. Acredita-se que a grande diferença na capacidade seja devida a uma quantidade aceitável de íons de lítio nas estruturas de grafite para LiC ₆ ou fósforo para Li ₃ P. No entanto, fósforo vermelho sofre enormes mudanças volumétricas, pulverização, e descolamento durante os processos de inserção e extração de íons de lítio, resultando em desvanecimento rápido da capacidade devido à diminuição na quantidade de fósforo vermelho eletroquimicamente reativo. Adicionalmente, enquanto os elétrons se movem para o eletrodo durante a inserção / extração de íons de lítio, o fósforo vermelho tem uma desvantagem em termos de perda de energia devido à sua baixa condutividade eletrônica.

Conforme mostrado na Fig. 1 (esquerda), Tomohiro Tojo e seus colegas do Departamento de Engenharia Elétrica e Eletrônica da Informação, Toyohashi University of Technology, sintetizaram estruturas únicas nas quais o fósforo vermelho é encapsulado no espaçamento interno dos CNTs para evitar que se desprenda do eletrodo e melhorar sua condutividade eletrônica. Para melhorar a reatividade eletroquímica do fósforo vermelho por meio de vias acessíveis de íons de lítio, nanoporos ( <5 nm) também foram formados nas paredes laterais dos CNTs encapsulados em fósforo, conforme mostrado na Fig. 1 (direita). Após o encapsulamento de fósforo, A Fig. 1 (à esquerda) mostra que os átomos de fósforo foram distribuídos dentro dos nanotubos, confirmando a estabilidade estrutural do fósforo vermelho.

Usando eletrodos de CNT encapsulados em fósforo, uma capacidade reversível mostrou aproximadamente 850 mAh / g no quinquagésimo ciclo de carga-descarga, conforme ilustrado na Fig. 2 (esquerda). Este foi um valor pelo menos duas vezes superior ao dos eletrodos de grafite. A Figura 2 (direita) mostra a relação estimada das capacidades de carga e descarga (eficiências Coulombic) de> 99% após o décimo ciclo e os ciclos subsequentes, o que indica uma alta reversibilidade das reações de descarga de carga no fósforo vermelho. Contudo, as capacidades de carga-descarga diminuíram gradualmente com o aumento do número do ciclo devido à dissociação de algumas ligações P-P e outras reações colaterais na superfície do fósforo e dos CNTs. Interessantemente, o CNT encapsulado em fósforo com nanoporos facilitou a melhoria significativa no desempenho eletroquímico em comparação com o CNT encapsulado em fósforo sem nanoporos. Sugere-se que isso seja devido à alta reatividade do fósforo vermelho com íons de lítio através dos nanoporos nas paredes laterais. Após os ciclos de carga-descarga, fósforo vermelho foi observado dentro dos nanotubos, como é o caso mostrado na Fig. 1 (esquerda).

Propusemos CNTs encapsulados em fósforo como um material de eletrodo para LIBs com alta capacidade, mesmo que melhorias adicionais nas estruturas sejam necessárias para alcançar ciclos de longo prazo sem perda de capacidade. Novos estudos serão realizados sobre a utilização de tais eletrodos.