Selección de elementos de los ánodos de silicio de alta entropía para un rendimiento superior de almacenamiento de...

Área de la Ciencia:

• Ciencias de los materiales
• La electroquímica
• Almacenamiento de energía

Sus antecedentes:

• Los ánodos de silicio de alta entropía ofrecen una mayor conductividad y estabilidad de volumen para las baterías de iones de litio (LIB).
• El cribado de elementos para estos materiales es complejo y dificulta el desarrollo.
• El SiP estructurado con esfalerita se identificó como una fase madre prometedora debido a su conductividad metálica.

Objetivo del estudio:

• Establecer una estrategia sistemática de cribado de elementos para los ánodos de silicio de alta entropía.
• Identificar nuevos compuestos basados en silicio con capacidades superiores de almacenamiento de iones de litio.
• Comprender la relación entre la composición, la estructura y el rendimiento electroquímico.

Principales métodos:

• Inspirado en las similitudes estructurales entre la esfalerita y el diamante, el SiP estructurado con esfalerita se utilizó como fase madre.
• Se realizaron dopaje y sustitución sistemáticos para explorar las composiciones de alta entropía.
• Se evaluó el rendimiento electroquímico, incluida la capacidad, la estabilidad del ciclo y la capacidad de velocidad.

Principales resultados:

• La inclusión de zinc (Zn) en la estructura de esfalerita mejoró la estabilidad y la capacidad de almacenamiento de litio.
• El rendimiento de almacenamiento de iones de litio aumentó con el número atómico en la serie BZnSiP3 < AlZnSiP3 < GaZnSiP3 < InZnSiP3.
• Los electrodos InZnSiP3 exhibieron una alta capacidad (719 mAh g-1 después de 1.500 ciclos) y capacidad de velocidad (725 mAh g-1 a 10.000 mA g-1).
• Los elementos de mayor radio atómico aumentaron la distorsión y los defectos de la celosía, facilitando el transporte.
• Los compuestos de alta entropía sintetizados como GaCuSnInZnSiP6 e InZnSiPSeTe demostraron un mejor rendimiento y conductividad metálica.
• Las energías negativas de formación debido a la entropía elevada explican el mecanismo de formación de fase.

Conclusiones:

• Se desarrolló con éxito un método racional de selección de elementos basado en analogías estructurales y tendencias de composición.
• InZnSiP3 y otros nuevos compuestos basados en silicio de alta entropía muestran un potencial significativo para anodos LIB avanzados.
• Los hallazgos proporcionan una vía para el diseño de materiales de almacenamiento de energía de alto rendimiento.