계층적으로 메조다공성 CuO/탄소 나노섬유 동축 쉘

Oct 11, 2023

Scientific Reports 5권, 기사 번호: 9754(2015) 이 기사 인용

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전기영동증착(EPD)을 통해 전도성 및 탄성 CNF의 표면에 Cu2(NO3)(OH)3를 코팅하여 리튬이온전지용 음극으로 계층적 메조다공성 CuO/탄소나노섬유 동축 쉘-코어 나노와이어(CuO/CNF)를 제조하였다. 이어서 공기 중에서 열처리한다. 나노입자로 적층된 CuO 쉘은 CNF 코어를 향해 방사형으로 성장하며, 이는 나노입자로 적층된 CuO 쉘에 풍부한 내부 공간을 갖는 계층적으로 메조다공성 3차원(3D) 동축 쉘-코어 구조를 형성합니다. CNF 표면에 풍부한 내부 공간과 1D CNF의 높은 전도성을 가진 CuO 쉘은 주로 전기화학적 속도 성능을 증가시킵니다. 탄성을 지닌 CNF 코어는 완충 효과를 제공하여 비탄성 CuO 쉘에 의한 방사형 부피 팽창을 강력하게 억제하는 데 중요한 역할을 합니다. CuO/CNF 나노와이어는 100mA g−1에서 1150mAh g−1의 초기 용량을 제공하고 50사이클 후에 명백한 붕괴를 보이지 않고 772mAh g−1의 높은 가역 용량을 유지합니다.

CuO와 같은 전기적으로 활성인 전이금속 산화물(MxOy, M = Ni, Co, Cu, Fe, Mn)은 높은 이론적 가역 용량(674)으로 인해 리튬 이온 배터리(LIB)에서 흑연을 대체하는 음극 재료로 많은 주목을 받고 있습니다. mAh g−1) 고유한 변환 메커니즘(MO + 2Li+ + 2e− = Li2O + M), 낮은 재료비, 화학적 안정성, 무독성 및 풍부한1,2,3,4,5,6,7을 기반으로 합니다. 8,9,10,11. 그러나 CuO는 주로 사이클링 중 큰 부피 팽창으로 인한 낮은 전도도 및 분쇄로 인해 사이클링 중 동역학이 좋지 않고 용량이 불안정하여 급속한 용량 감소로 이어집니다. 이러한 문제를 극복하기 위해 CuO는 나노와이어 어레이12, 나노케이지13, CuO/그래핀 복합재10, CuO/CNT 복합재9, CuO/탄소 복합 나노와이어14 및 기타 최근 연구15,16,17,18,19,20와 같은 다양한 형태로 설계되었습니다. ,21,22,23. 그럼에도 불구하고, 리튬화 CuO 부피 팽창에 의한 용량 감소를 적절하게 제어하는 것은 어렵다.

양극재의 성능을 높이기 위한 효과적인 전략은 형태의 변형에 크게 좌우됩니다. 더 나은 나노 구조 복합재는 우수한 구조적 안정성, 높은 메조 다공성을 갖춘 높은 표면적, 전극과 전해질 사이의 우수한 전기 접촉 및 증가된 전기 전도도를 통해 향상된 전기화학적 성능을 제공합니다. 우수한 나노구조 복합체를 제조하는 수단으로 본 연구에서 사용된 전기영동증착(EPD)은 Cu(NO3)2 에탄올 용액의 Cu2(NO3)(OH)3 나노입자를 음극으로 CNF 표면에 코팅하는 손쉬운 합성 기술입니다. 적용된 전기장 하에서24,25,26. 이 유용한 기술은 이전에 CuO/CNF 시스템에서 수행되지 않았던 매우 독특하고 새로운 기술입니다. 인가된 전기장 하에서 용액 내의 하전된 이온은 전기영동 현상에 의해 반대 하전된 전극 쪽으로 이동합니다. 하전된 이온이 전극에 축적된 후 물질 이동 속도를 제어하여 적절한 구조로 증착됩니다. 증착된 전극은 열처리 공정을 통해 결정화됩니다. EPD 방법은 3D 계층적 다공성 CuO/CNF 동축 쉘 코어 나노와이어를 제공합니다. 내부 공간이 풍부한 CuO 쉘은 탁월한 속도 성능을 제공합니다. 내부 공간이 풍부한 메조포러스 구조를 통해 전해질이 CuO 음극 소재에 쉽게 접근할 수 있습니다. CNF 코어의 역할이 없으면 사이클링 중 리튬화 CuO에 의한 방사형 압축으로 인해 큰 부피 팽창이 발생합니다. CuO와 같은 금속 산화물은 비탄성 특성을 나타내는 반면, CNF는 높은 탄성 계수를 갖는 탄성 특성을 나타냅니다. 사이클링 중에 탄성 CNF 코어는 쿠션 효과를 생성하여 리튬화 CuO 쉘의 방사형 압축과 함께 부피 팽창을 보호하는 데 중요한 역할을 합니다. 또한, 1D 경로를 갖는 전도성 CNF 코어는 전자 이동을 촉진하여 전하 이동을 향상시킵니다.

CuO (39%) > pure CNF (34.5%). The PVDF is generally used in preparing the electrodes of lithium ion batteries. In this work, the poly (acrylic acid) (PAA) is used to offer the facile adhesion between active electrode materials. The PAA as a binder may lead to the slight decrease in coulombic efficiency of CNF, CuO and CuO/CNF owning to high adhesion strength34. The CuO/CNF represents the excellent capability and electrochemical stability at the same time, which represents more than 830 mAh g−1 after the second cycle without an obvious capacity fading except for an initial capacity of 1150 mAh g−1. The specific capacity of CuO/CNF is much higher than the theoretical capacity of 559 mAh g−1 of CuO/CNF. Theoretical capacity of CuO/CNF is calculated as follow: theoretical capacity (TC) of CuO/CNF = TC of CuO × weight% of CuO + TC of graphite × weight% of graphite = 674 × 61.8% + 372 × 38.2% = 559 mAh g−1. The weight% of CuO/CNF obtained from the result of TGA is used in calculating theoretical capacity of CuO/CNF. In addition, the CuO/CNF still show good reversible capacity (400 mAh g−1) after 50 cycles despite high current density (1000mA g−1) as shown in Fig. 9b. The reasons for high capability and excellent retention are as follows. Firstly, the 3D coaxial CuO/CNF connected with CuO shell on the surface of CNF creates the excellent retention without fading for cycling. During cycling, the CuO shell compresses the surface of elastic CNF core toward the radial direction through inelastic flow because the large volume expansion of the lithiated CuO in the shell is mostly in the radial direction27,28. Because the elastic CNF core offers the buffering effect against the inelastic CuO shell, 3D coaxial CuO-CNF shell-core morphology protects the battery failure coming from volume variation by the inelastic CuO shell without the fading of capacity. Secondly, both abundant inner spaces within nanoparticle-stacked CuO shell and a lot of pores between interlayers of nanowires not only offers tremendous channels for the facile electrolyte flow, but also induces excellent contact between the electrolyte and electrode. This porous morphology by 3D coaxial CuO/CNF shell-core nanowires promotes mass transfer and charge transfer in enhancing the electrochemical specific capacity. Thirdly, the CNF core with 1D structure leads to the increased electrical conductivity and mechanical stability to CuO/CNF nanowires. The electrical networking makes electron transfer easier by increasing the electrical conductivity. The mechanical networking toughens the structural stability of nanoparticle-stacked CuO shell on the surface of CNF./p>

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