3D макропористый электрод и высокая

Научные отчеты, том 6, Номер статьи: 18626 (2016) Цитировать эту статью

6062 Доступа

47 цитат

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Трехмерная пористая архитектура делает структуру электрода привлекательной, поскольку она обладает внутренней структурной целостностью и способностью смягчать напряжения в литий-ионных батареях, вызванные большими изменениями объема в анодных материалах высокой емкости во время циклического использования. Здесь мы сообщаем о первой демонстрации макропористого анода из медной пены, покрытого SnO2, с использованием простой и масштабируемой комбинации процессов направленного замораживания и золь-гель нанесения покрытия. Трехмерный взаимосвязанный анод состоит из выровненных микроканалов, разделенных медными стенками, покрытыми SnO2, и гораздо более мелкими порами микрометра, что увеличивает площадь поверхности и обеспечивает пространство для объемного расширения слоя покрытия SnO2. С этим анодом мы достигаем высокой обратимой емкости 750 мАч г-1 при силе тока 0,5 C после 50 циклов и превосходной емкости 590 мАч г-1 при 2 C, что близко к лучшим характеристикам Sn- на основе наноразмерного материала.

Разработка технологий для портативных электронных устройств, электромобилей и систем хранения энергии в масштабе сети требует высокопроизводительных литий-ионных батарей (LIB) с высокой энергией и высокой плотностью мощности, а также хорошей циклической стабильностью1,2. Диоксид олова (SnO2), как многообещающая альтернатива используемому в настоящее время графитовому аноду для ЛИА следующего поколения, привлек большое внимание из-за его высокой теоретической емкости 781 мАч г-1, что в 2 раза выше, чем у обычного графитового анода ( 372 мАч г-1)3,4. Однако практическое применение анода на основе SnO2 затруднено из-за существенных изменений объема (до 300%) во время введения и извлечения больших количеств ионов лития; это может привести к распылению активного материала и потере электрического контакта, что в конечном итоге приведет к плохому сохранению емкости3,4,5. Для решения этой проблемы было предложено несколько стратегий, таких как наноразмерные электроды6,7,8, электроды, гибридизированные с углеродом или полимерами9,10,11,12 и электроды, разработанные с уникальной архитектурой13,14,15,16.

Трехмерная (3D) пористая металлическая архитектура должна иметь несколько важных преимуществ, включая следующие: (i) легкий доступ электролита к поверхности электрода, (ii) облегченный перенос заряда через границу раздела между электродом и электролитом, (iii) снижение напряжения на распыление активного материала за счет создания пустот для поглощения больших изменений объема, кроме того, (iv) большое количество электронов в электродном узле17,18,19. Были исследованы различные конструкции трехмерного металлического каркаса, такие как инверсная опаловая структура18,20, сетка из нержавеющей стали21, пенопласт22,23,24, длинные цепочки частиц25 и сборка волокон26 или проволок27. Кроме того, архитектура распределения пор с двойным размером и формой пор, встречно-штыревой высокопористый металлический каркас, может повысить объемную плотность активного материала за счет увеличения площади поверхности трехмерного каркаса в качестве шаблона для осаждаемого активного материала или самого активного материала18. 28. Процесс замораживания — это простой, универсальный и многообещающий метод получения сильно взаимосвязанной микромасштабной пористой структуры29,30. В этом недорогом и масштабируемом процессе раствор замораживается, а замороженный растворитель затем удаляется путем сушки вымораживанием, образуя структуру макропористого тела как копию структуры затвердевшего растворителя29,30. Поскольку это физический процесс без химических реакций и в нем используются кристаллы льда, полученные из воды или других форм жидкого шаблона, литье замораживанием обычно приводит к образованию пор на поверхности структуры размером порядка десятков микрометров одновременно с образованием каналов. как поры размером в несколько десятков микрометров в структуре.

В настоящем документе мы впервые сообщаем о новой концепции конструкции анода SnO2, основанной на трехмерной макропористой пене меди с двойным распределением пор по размерам, полученной методом направленного замораживания. Пенопласт Cu используется как в качестве анодного токосъемника, так и в качестве шаблона для слоя покрытия SnO2. Трехмерная макропористая медная пена обеспечивает как непрерывные металлические стойки, которые действуют как эффективные пути прохождения электронов, так и локальные пустоты для снижения напряжения, возникающего из-за больших изменений объема слоя покрытия SnO2 во время езды на велосипеде. Такое сочетание свойств электрода демонстрирует высокую обратимую емкость, превосходную скорость и стабильное сохранение цикла с сохранением структурной целостности.