Однородные массивы нанопроволок ванадата никеля (Ni3V2O8), организованные ультратонкими нанолистами с улучшенными свойствами хранения лития

Научные отчеты, том 6, Номер статьи: 20826 (2016) Цитировать эту статью

4672 Доступа

62 цитаты

Подробности о метриках

Разработка трехмерных наноархитектур на токосъемниках стала эффективной стратегией повышения скоростной способности и циклической стабильности электродов. В настоящей работе методом двухстадийного гидротермального синтеза получен новый тип нанопроволок Ni3V2O8, организованных в виде ультратонких иерархических нанолистов (менее 5 нм) на титановой фольге. Проведены исследования структурных и термических свойств свежеприготовленных массивов нанопроволок Ni3V2O8, и их морфология явно изменилась при последующей термообработке при 300 и 500 °C. В качестве электродного материала для литий-ионных аккумуляторов уникальная конфигурация нанопроводов Ni3V2O8 обеспечивает повышенную емкость, удовлетворительную скорость и хорошую циклическую стабильность. Обратимая емкость свежеприготовленных массивов нанопроволок Ni3V2O8 достигает 969,72 мАч·г-1 с кулоновским КПД более 99% при 500 мА·г-1 после 500 циклов.

Преобразование и хранение энергии, несомненно, является одной из самых серьезных проблем в современном мире1. Литий-ионные аккумуляторы (LIB) считаются одними из лучших вариантов благодаря их высокой удельной энергии и длительному сроку службы в портативных электронных потребительских устройствах, электромобилях и крупномасштабных хранилищах электроэнергии в интеллектуальных сетях2,3,4. Он возглавил обширные исследования по разработке электродных материалов с более высокой удельной емкостью. В частности, материалы, которые накапливают ионы лития (ионы Li+) посредством реакций конверсии (таких как MnO25, Co3O46, V2O57) или реакций легирования (таких как Si8, Sn1), были предложены в качестве перспективных альтернативных материалов из-за их высокой удельной емкости. Однако у коммерчески доступных электродных материалов ЛИА существует один недостаток, связанный с собственной диффузией ионов Li+ в твердом состоянии (около 10-8 см2/с), что неизбежно ограничивает характеристики заряда/разряда9,10. Кроме того, эти материалы обычно претерпевают значительные изменения объема во время литирования и делитирования из-за поглощения большого количества атомов Li в структуру и сопутствующего фазового превращения. Подходы к улучшению кинетики транспорта ионов/электронов и компенсации деформации, вызванной изменением объема в ЛИА, включают покрытие электролитически активного материала проводящим слоем11,12,13. Разработка электродных материалов с наноразмерными характеристиками является альтернативным полезным методом, поскольку наноструктуры могут помочь уменьшить длину диффузии ионов Li+ во время процесса заряда/разряда и увеличить площадь межфазного контакта между электродом и электролитом, что приводит к значительному увеличению удельной плотности мощности и плотность энергии по сравнению с ненаноструктурными материалами14,15,16,17,18,19. Материалы с иерархической структурой, по крайней мере, с одним измерением в нанометровом масштабе (иерархические наноструктуры) могут сочетать желаемые свойства объемного материала (такие как структурная стабильность и высокая плотность отвода) с настраиваемыми по размеру функциональными свойствами для создания электрохимических устройств хранения энергии (LIB). и суперконденсаторы)20,21.

Оксид никеля (NiO), оксид основного переходного металла, обогащенный природными ресурсами и безопасный для окружающей среды, считается одним из привлекательных электродных материалов для хранения лития22,23,24,25. Основными проблемами при внедрении анодов на основе NiO являются их низкая электронная проводимость и большое изменение объема во время введения и извлечения лития, как упоминалось выше. Для решения этих проблем в качестве анодных материалов также были предложены бинарные оксиды металлов, такие как NiMn2O426 и NiCo2O427, для улучшения их электрохимических характеристик. В этом случае бинарные оксиды металлов обладают гораздо более высокой электропроводностью и электрохимическими характеристиками, чем одиночные оксиды27,28. Более высокая электронная проводимость благоприятствует быстрому переносу электронов в электроде. В последнее время ванадаты переходных металлов (MVxOy), родственные V2O5 с перестраиваемыми степенями окисления (V5+, V4+ и V3+), привлекают все большее внимание для потенциальных применений в различных областях благодаря своей слоистой структуре, уникальным физическим, химическим и электрическим свойствам7. , 29. Стабильность электродной циклической обработки чистых оксидов ванадия была значительно улучшена за счет добавления ионов M (=Li, Fe, Cr или Na) в эти исходные оксиды ванадия, такие как LiV3O830, FeVO431, Cr0,11V2O5,1632, Na5V12O3233. Эти дополнительные ионы M образовывали столбики между слоями оксида ванадия и, таким образом, стабилизировали структуру во время внедрения/извлечения Li+33,34.