階層的メソポーラスCuO/カーボンナノファイバー同軸シェル

Oct 11, 2023

Scientific Reports volume 5、記事番号: 9754 (2015) この記事を引用

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メトリクスの詳細

リチウムイオン電池用アノードとしての階層的メソポーラス CuO/カーボン ナノファイバー同軸シェルコア ナノワイヤ (CuO/CNF) は、電気泳動蒸着 (EPD) によって導電性と弾性のある CNF の表面に Cu2(NO3)(OH)3 をコーティングすることによって調製されました。その後、空気中で熱処理を行います。 ナノ粒子が積層されたCuOシェルはCNFコアに向かって放射状に成長し、ナノ粒子が積層されたCuOシェル内に豊富な内部空間を持つ階層的メソポーラス三次元（3D）同軸シェルコア構造を形成します。 CNF の表面に豊富な内部空間を備えた CuO シェルと 1D CNF の高い導電性により、主に電気化学的な速度能力が向上します。 弾性を有するCNFコアは、緩衝効果により非弾性CuOシェルによる径方向の体積膨張を強力に抑制する重要な役割を果たします。 CuO/CNF ナノワイヤは、100 mA g-1 で 1150 mAh g-1 の初期容量を実現し、50 サイクル後に明らかな減衰を示さずに 772 mAh g-1 の高い可逆容量を維持します。

CuO などの電気的に活性な遷移金属酸化物 (MxOy、M = Ni、Co、Cu、Fe、Mn) は、その高い理論的可逆容量 (674 mAh g−1) 独自の変換メカニズム (MO + 2Li+ + 2e− = Li2O + M)、低材料コスト、化学的安定性、非毒性および豊富な量に基づいています1,2,3,4,5,6,7、 8、9、10、11。 しかし、CuO は主にサイクリング中の反応速度が悪く、容量が不安定です。これは主に導電率が低いことと、サイクリング中の大きな体積膨張による粉砕が原因であり、急速な容量の低下につながります 8、9、10、11。 これらの問題を克服するために、CuO は、ナノワイヤアレイ 12、ナノケージ 13、CuO/グラフェン複合体 10、CuO/CNT 複合体 9、CuO/炭素複合体ナノワイヤ 14 およびその他の最近の研究 15、16、17、18、19、20 などのさまざまな形態で設計されています。 、21、22、23。 それにもかかわらず、リチウム化CuOの体積膨張による容量低下を適切に制御することは困難です。

アノード材料の性能を向上させる効果的な戦略は、形態の変更に大きく依存しています。 より優れたナノ構造複合材料は、優れた構造安定性、高いメソ多孔性による高い表面積、電極と電解質間の良好な電気接触、および導電性の向上により、電気化学的性能の向上につながります。 優れたナノ構造複合材料を調製する手段としてこの研究で使用された電気泳動堆積（EPD）は、Cu（NO3）2エタノール溶液からCNFの表面に陰極としてCu2（NO3）（OH）3ナノ粒子をコーティングする簡単な合成技術です。印加電場下で 24、25、26。 この有用な技術は、これまでCuO/CNF系では実施されていなかった、著しくユニークかつ新規なものである。 電場を印加すると、溶液中の荷電イオンは電気泳動現象によって逆に荷電した電極に向かって移動します。 荷電イオンが電極に蓄積した後、物質移動速度を制御することによって適切な構造として堆積します。 堆積した電極は熱処理工程により結晶化する。 EPD 法では、3D 階層多孔質 CuO/CNF 同軸シェルコア ナノワイヤが得られます。 豊富な内部空間を持つCuOシェルが優れたレート能力を提供します。 豊富な内部空間を備えたメソ多孔質構造により、電解液が CuO アノード材料に容易にアクセスできるようになります。 CNF コアの役割がなければ、サイクリング中のリチウム化 CuO による半径方向の圧縮により、大きな体積膨張が発生します。 CuO などの金属酸化物は非弾性特性を示すのに対し、CNF は高い弾性率を持つ弾性特性を示します 15,28。 サイクリング中、弾性 CNF コアはクッション効果を生み出すことで、リチウム化 CuO シェルの半径方向の圧縮とともに体積の膨張を保護するという重要な役割を果たします。 さらに、1D経路を持つ導電性CNFコアが電子の移動を促進し、電荷移動の向上につながります。