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Guscio coassiale in nanofibra di CuO/carbonio gerarchicamente mesoporoso

Oct 11, 2023Oct 11, 2023

Rapporti scientifici volume 5, numero articolo: 9754 (2015) Citare questo articolo

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I nanofili coassiali shell-core (CuO/CNF) gerarchicamente mesoporosi CuO/nanofibra di carbonio come anodi per batterie agli ioni di litio sono stati preparati rivestendo il Cu2(NO3)(OH)3 sulla superficie del CNF conduttivo ed elastico tramite deposizione elettroforetica (EPD), seguito da trattamento termico in aria. Il guscio di CuO impilato con nanoparticelle cresce radialmente verso il nucleo CNF, che forma una struttura guscio-nucleo coassiale tridimensionale (3D) gerarchicamente mesoporosa con abbondanti spazi interni nel guscio di CuO impilato con nanoparticelle. I gusci di CuO con abbondanti spazi interni sulla superficie del CNF e l'elevata conduttività del CNF 1D aumentano principalmente la capacità di velocità elettrochimica. Il nucleo CNF con elasticità svolge un ruolo importante nel sopprimere fortemente l'espansione del volume radiale da parte del guscio anelastico di CuO offrendo l'effetto tampone. I nanofili CuO/CNF forniscono una capacità iniziale di 1150 mAh g−1 a 100 mA g−1 e mantengono un'elevata capacità reversibile di 772 mAh g−1 senza mostrare un evidente decadimento dopo 50 cicli.

Gli ossidi di metalli di transizione elettricamente attivi (MxOy, M = Ni, Co, Cu, Fe, Mn) come CuO hanno attirato molta attenzione come materiali anodici per sostituire la grafite nelle batterie agli ioni di litio (LIB) a causa della loro elevata capacità reversibile teorica (674 mAh g−1) sulla base del loro meccanismo di conversione unico, (MO + 2Li+ + 2e− = Li2O + M), basso costo del materiale, stabilità chimica, non tossicità e abbondanza1,2,3,4,5,6,7, 8,9,10,11. Tuttavia, il CuO ha per lo più una cinetica scarsa e una capacità instabile durante il ciclo, principalmente a causa della bassa conduttività e della polverizzazione dovuta alla grande espansione di volume durante il ciclo, che porta ad un rapido sbiadimento della capacità8,9,10,11. Per superare questi problemi, il CuO è stato progettato in una varietà di morfologia come array di nanofili12, nanogabbie13, compositi CuO/grafene10, compositi CuO/CNT9, nanofili compositi CuO/carbonio14 e altre ricerche recenti15,16,17,18,19,20 ,21,22,23. Tuttavia, è difficile controllare adeguatamente il decadimento della capacità dovuto all’espansione del volume del CuO litiato.

La strategia efficace per aumentare le prestazioni dei materiali anodici dipende profondamente dalla modifica della morfologia. Migliori compositi nanostrutturati portano a migliori prestazioni elettrochimiche con buona stabilità strutturale, elevata area superficiale con elevata mesoporosità, buon contatto elettrico tra elettrodo ed elettrolita e maggiore conduttività elettrica. La deposizione elettroforetica (EPD) utilizzata in questo studio come mezzo per preparare eccellenti compositi nanostrutturati è una facile tecnica sintetica per rivestire nanoparticelle di Cu2(NO3)(OH)3 dalla soluzione di etanolo Cu(NO3)2 sulla superficie dei CNF come catodo sotto un campo elettrico applicato24,25,26. Questa tecnica utile è straordinariamente unica e nuova e non è stata condotta in precedenza per il sistema CuO/CNF. Sotto un campo elettrico applicato, gli ioni carichi in una soluzione si muovono verso l'elettrodo caricato in modo opposto mediante il fenomeno dell'elettroforesi. Dopo che gli ioni carichi si sono accumulati sull'elettrodo, si depositano come strutture adeguate controllando la velocità del trasferimento di massa. L'elettrodo depositato effettua la cristallizzazione mediante un processo di trattamento termico. Il metodo EPD offre nanofili shell-core coassiali CuO/CNF gerarchicamente porosi 3D. Il guscio CuO con abbondanti spazi interni offre un'eccellente capacità di velocità. Le strutture mesoporose con abbondanti spazi interni consentono all'elettrolita di accedere facilmente al materiale dell'anodo CuO. Senza il ruolo del nucleo CNF, la compressione radiale da parte del CuO litiato durante il ciclo si traduce in una grande espansione di volume. L'ossido metallico come CuO rappresenta la natura anelastica, mentre il CNF mostra la caratteristica elastica con elevato modulo elastico15,28. Durante il ciclismo, il nucleo elastico CNF svolge un ruolo importante nel proteggere l'espansione del volume insieme alla compressione radiale del guscio in CuO litiato creando l'effetto ammortizzante. Inoltre, il nucleo conduttivo CNF con percorso 1D facilita il trasferimento di elettroni, portando ad un miglioramento del trasferimento di carica.

 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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