Мембраны из MnO в углеродных нановолокнах как гибкие аноды для высоких температур

Научные отчеты, том 5, Номер статьи: 14146 (2015) Цитировать эту статью

3359 Доступов

34 цитаты

Подробности о метриках

Отдельно стоящие, но гибкие мембраны из MnO/углеродных нановолокон успешно изготавливаются путем включения нанопроволок MnO2 в раствор полимера с помощью простой техники электропрядения. В ходе процессов стабилизации и карбонизации свежесформованных мембран нанопроволоки MnO2 преобразуются в наночастицы MnO, что совпало с переходом полимера из аморфного состояния в графитовую структуру углеродных нановолокон. Гибриды состоят из изолированных наночастиц MnO, вкрапленных в пористый углерод, и демонстрируют превосходные характеристики при использовании в качестве анода без связующего вещества для литий-ионных батарей. Благодаря оптимизированному количеству MnO (34,6 мас.%) анод демонстрирует обратимую емкость до 987,3 мАч г-1 после 150 циклов разрядки/зарядки при токе 0,1 А г-1, хорошую пропускную способность (406,1 мАч г-1). при 3 А г-1) и отличные характеристики при циклическом использовании (655 мАч г-1 в течение 280 циклов при 0,5 А г-1). Кроме того, гибридный анод сохраняет хорошие электрохимические характеристики в изгибном состоянии в качестве гибкого электрода.

Гибкие литий-ионные батареи (LIB) открывают большие перспективы в качестве источников энергии следующего поколения для будущих электронных устройств. Они нашли множество многообещающих применений, включая умную одежду, электронные скины, носимые датчики и так далее1,2. В качестве основных компонентов гибких ЛИА гибкие электроды обычно изготавливаются из различных функциональных органических и/или неорганических материалов, построенных на пленкообразных углеродных материалах из углеродных нанотрубок (УНТ)3,4,5, графена6,7,8, углерода. ткань/текстиль9,10,11,12 и т.д. Кроме того, для максимального использования в гибридах важна предпочтительная массовая загрузка активных веществ. Благодаря низкой стоимости и простоте обработки мембрана из углеродных нановолокон (УНВ) имеет преимущества при использовании в качестве отдельно стоящей и гибкой подложки для создания композитов из металла или оксидов металлов/углерода13. Было доказано, что процесс электропрядения с последующей стабилизацией и карбонизацией является простым и контролируемым способом изготовления мембран из УНВ14. Некоторые системы на основе УНВ, такие как Ge/CNF15, Se/CNT16, Ti/CNFs17, MoS2/CNFs18, были изготовлены и исследованы для использования в качестве гибких электродов ЛИА или натрий-ионных батарей (SIB). Поэтому весьма желательно, чтобы правильная форма соединения металла вводилась в УНВ in-situ во время изготовления мембран из УНВ.

В последнее время наноматериалы на основе Mn интенсивно изучаются с точки зрения хранения энергии19,20,21. MnO привлек большое внимание из-за его высокой теоретической емкости (756 мАч/г), низкого потенциала преобразования (средние напряжения разряда и заряда 0,5 В и 1,2 В по сравнению с Li/Li+ соответственно), экологически безопасных свойств и низкой стоимости22. 23,24. Чтобы решить проблему снижения мощности и низкой производительности, были разработаны некоторые гибриды MnO-углерод, такие как нанопроволоки MnO/мезопористый углерод25,26, MnO/графен23,27,28,29,30, MnO/углерод2131,32,33 и MnO/УНТ34,35,36 и др. Однако в большинстве случаев указанные продукты находились в виде порошка. Хотя группа Хуанга изготовила композит MnO/CNF методом электропрядения, для изготовления электродов по-прежнему использовалось полимерное связующее31. Здесь мы продемонстрировали синтез шариков наночастиц MnO (НЧ) в мембранах УНВ путем введения нанопроволок MnO2 (ННК) в раствор полиакрилонитрила (ПАН) посредством электроформования с последующими процессами стабилизации и карбонизации. Структурная трансформация ННК MnO2 в НЧ MnO сопровождалась одновременным превращением аморфного полимера в пористые графитовые УНВ. Полученные мембраны с НЧ MnO, равномерно внедренными в пористые УНВ, могут быть использованы непосредственно в качестве бессвязующего электрода для гибких ЛИА. Также было исследовано влияние загрузки НЧ MnO в УНВ на электрохимические характеристики композитов. При предпочтительной загрузке MnO (34,6 мас.%) мембрана MnO/CNF (MnC) демонстрирует высокую обратимую емкость 987,3 мАч г-1 после 150 циклов разрядки/зарядки при токе 0,1 А г-1, хорошую скоростную способность (406,1 мАч г-1 при 3 А г-1) и отличные характеристики при циклическом использовании (655 мАч г-1 за 280 циклов при 0,5 А г-1). Кроме того, гибридная мембрана демонстрирует хорошие электрохимические характеристики в изгибном состоянии, демонстрируя большой потенциал в качестве высокоэффективного анодного материала для гибких применений ЛИА.