Coque coaxiale hiérarchiquement mésoporeuse CuO / nanofibres de carbone

Oct 11, 2023

Scientific Reports volume 5, Numéro d'article : 9754 (2015) Citer cet article

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Des nanofils coaxiaux à noyau de coque CuO / nanofibres de carbone hiérarchiquement mésoporeux (CuO / CNF) servant d'anodes pour les batteries lithium-ion ont été préparés en enduisant le Cu2 (NO3) (OH) 3 sur la surface du CNF conducteur et élastique via un dépôt électrophorétique (EPD), suivi d'un traitement thermique à l'air. La coque de CuO empilée de nanoparticules se développe radialement vers le noyau CNF, qui forme une structure coque-noyau coaxiale tridimensionnelle (3D) hiérarchiquement mésoporeuse avec des espaces intérieurs abondants dans une coque de CuO empilée de nanoparticules. Les coques de CuO avec des espaces intérieurs abondants à la surface du CNF et une conductivité élevée du CNF 1D augmentent principalement la capacité de taux électrochimique. Le noyau CNF avec élasticité joue un rôle important dans la suppression forte de l'expansion du volume radial par la coque inélastique en CuO en offrant un effet tampon. Les nanofils CuO/CNF offrent une capacité initiale de 1 150 mAh g−1 à 100 mA g−1 et maintiennent une capacité réversible élevée de 772 mAh g−1 sans présenter de décroissance évidente après 50 cycles.

Les oxydes de métaux de transition électriquement actifs (MxOy, M = Ni, Co, Cu, Fe, Mn) tels que CuO ont attiré beaucoup d'attention en tant que matériaux d'anode pour remplacer le graphite dans les batteries lithium-ion (LIB) en raison de leur capacité réversible théorique élevée (674 mAh g−1) sur la base de leur mécanisme de conversion unique, (MO + 2Li+ + 2e− = Li2O + M), faible coût des matériaux, stabilité chimique, non-toxicité et abondance1,2,3,4,5,6,7, 8,9,10,11. Cependant, le CuO a généralement une cinétique médiocre et une capacité instable pendant le cyclage, principalement en raison de la faible conductivité et de la pulvérisation due à une expansion de volume importante pendant le cyclage, conduisant à une perte rapide de capacité8,9,10,11. Pour surmonter ces problèmes, CuO a été conçu dans une variété de morphologies telles que des réseaux de nanofils12, des nanocages13, des composites CuO/graphène10, des composites CuO/CNT9, des nanofils composites CuO/carbone14 et d'autres recherches récentes15,16,17,18,19,20. ,21,22,23. Néanmoins, il est difficile de contrôler correctement la diminution de capacité par expansion du volume de CuO lithié.

La stratégie efficace pour augmenter les performances des matériaux anodiques dépend profondément de la modification de la morphologie. De meilleurs composites nanostructurés conduisent à des performances électrochimiques améliorées avec une bonne stabilité structurelle, une surface spécifique élevée avec une mésoporosité élevée, un bon contact électrique entre l'électrode et l'électrolyte et une conductivité électrique accrue. Le dépôt électrophorétique (EPD) utilisé dans cette étude comme moyen de préparer d'excellents composites nanostructurés est une technique de synthèse facile pour enrober des nanoparticules de Cu2(NO3)(OH)3 à partir de la solution d'éthanol de Cu(NO3)2 à la surface des CNF comme cathode. sous un champ électrique appliqué24,25,26. Cette technique utile est remarquablement unique et nouvelle et n’a jamais été réalisée auparavant pour le système CuO/CNF. Sous un champ électrique appliqué, les ions chargés dans une solution se déplacent vers l’électrode de charge opposée par le phénomène d’électrophorèse. Une fois que les ions chargés se sont accumulés au niveau de l’électrode, ils se déposent sous forme de structures appropriées en contrôlant le taux de transfert de masse. L'électrode déposée cristallise par un processus de traitement thermique. La méthode EPD propose des nanofils coque-cœur coaxiaux CuO/CNF 3D hiérarchiquement poreux. La coque CuO avec de nombreux espaces intérieurs offre une excellente capacité de débit. Les structures mésoporeuses avec des espaces internes abondants permettent à l'électrolyte d'accéder facilement au matériau de l'anode CuO. Sans le rôle du noyau CNF, la compression radiale par CuO lithié pendant le cyclage entraîne une expansion volumique importante. L'oxyde métallique tel que CuO représente la nature inélastique, tandis que le CNF présente la caractéristique élastique avec un module d'élasticité élevé . Pendant le cyclisme, le noyau élastique CNF joue un rôle important dans la protection de l'expansion du volume ainsi que de la compression radiale de la coque en CuO lithié en créant un effet d'amortissement. De plus, le noyau conducteur CNF avec voie 1D facilite le transfert d’électrons, conduisant à l’amélioration du transfert de charge.