Membranas de MnO Beading em Nanofibras de Carbono como Ânodos Flexíveis para Alta

Scientific Reports volume 5, Artigo número: 14146 (2015) Citar este artigo

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Membranas independentes, porém flexíveis, de nanofibras de MnO/carbono são fabricadas com sucesso através da incorporação de nanofios de MnO2 em solução polimérica por uma técnica fácil de eletrofiação. Durante os processos de estabilização e carbonização das membranas fiadas, os nanofios de MnO2 são transformados em nanopartículas de MnO coincidindo com uma conversão do polímero de um estado amorfo para uma estrutura grafítica de nanofibras de carbono. Os híbridos consistem em nanopartículas de MnO isoladas no carbono poroso e demonstram desempenho superior quando usados ​​como ânodo sem aglutinante para baterias de íons de lítio. Com uma quantidade otimizada de MnO (34,6% em peso), o ânodo exibe uma capacidade reversível de até 987,3 mAh g-1 após 150 ciclos de descarga/carga a 0,1 A g-1, uma boa capacidade de taxa (406,1 mAh g-1 a 3 A g-1) e um excelente desempenho de ciclagem (655 mAh g-1 em 280 ciclos a 0,5 A g-1). Além disso, o ânodo híbrido mantém um bom desempenho eletroquímico no estado de flexão como um eletrodo flexível.

As baterias flexíveis de íons de lítio (LIBs) são uma grande promessa para as fontes de energia da próxima geração de futuros dispositivos eletrônicos. Eles encontraram uma grande variedade de aplicações promissoras, incluindo roupas inteligentes, capas eletrônicas e sensores vestíveis e assim por diante1,2. Como componentes principais de LIBs flexíveis, os eletrodos flexíveis são geralmente feitos de vários materiais orgânicos e/ou inorgânicos funcionais construídos sobre/em materiais à base de carbono semelhantes a filmes de nanotubos de carbono (CNTs)3,4,5, grafeno6,7,8, carbono tecidos/têxteis9,10,11,12, etc. Além disso, um carregamento em massa preferível de materiais ativos é importante para maximizar sua utilização em híbridos. Devido ao baixo custo e fácil processamento, a membrana de nanofibras de carbono (CNFs) tem vantagens por ser usada como substrato independente e flexível para construir metais ou óxidos metálicos/compósitos de carbono . O processo de eletrofiação seguido de estabilização e carbonização provou ser uma forma fácil e controlável de fabricação de membranas de CNFs . Alguns sistemas baseados em CNFs, como Ge/CNFs15, Se/CNTs16, Ti/CNFs17, MoS2/CNFs18 foram fabricados e investigados para eletrodos flexíveis de LIBs ou baterias de íon de sódio (SIBs). Portanto, é altamente desejado que uma forma adequada de composto metálico seja introduzida em CNFs in-situ durante a fabricação de membranas de CNFs.

Recentemente, nanomateriais à base de Mn têm sido intensamente estudados para armazenamento de energia . O MnO tem atraído muita atenção devido à sua alta capacidade teórica (756 mAh g-1), baixo potencial de conversão (tensões médias de descarga e carga de 0,5 V e 1,2 V vs. Li/Li+, respectivamente), características ambientalmente benignas e baixo custo22, 23,24. Para resolver suas deficiências de desvanecimento de capacidade e baixa capacidade de taxa, alguns híbridos MnO-carbono foram desenvolvidos, como MnO/carbono mesoporoso25,26, MnO/grafeno23,27,28,29,30, nanofios MnO/carbono2131,32,33 e MnO/CNTs34,35,36, etc. Porém, na maioria dos casos os produtos citados estavam em pó. Embora o grupo de Huang tenha fabricado o compósito MnO/CNFs por uma técnica de eletrofiação, um ligante polimérico ainda foi utilizado para a fabricação dos eletrodos31. Aqui, demonstramos a síntese de nanopartículas de MnO (NPs) em membranas de CNFs através da introdução de nanofios de MnO2 (NWs) na solução de poliacrilonitrila (PAN) através de eletrofiação seguida de processos de estabilização e carbonização. A transformação estrutural de MnO2 NWs em MnO NPs foi acompanhada pela conversão simultânea de polímero amorfo em CNFs grafíticos porosos. As membranas obtidas com NPs de MnO uniformemente incorporadas nos CNFs porosos poderiam ser usadas diretamente como eletrodo livre de ligante para LIBs flexíveis. Os efeitos das cargas de NPs de MnO em CNFs no desempenho eletroquímico dos compósitos também foram investigados. Com uma carga preferível de MnO (34,6% em peso), a membrana MnO/CNFs (MnC) exibe uma alta capacidade reversível de 987,3 mAh g-1 após 150 ciclos de descarga/carga a 0,1 A g-1, uma boa capacidade de taxa (406,1 mAh g-1 a 3 A g-1) e um excelente desempenho de ciclagem (655 mAh g-1 em 280 ciclos a 0,5 A g-1). Além disso, a membrana híbrida apresenta bom desempenho eletroquímico no estado de flexão, demonstrando um grande potencial como material anódico de alto desempenho para aplicações flexíveis de LIB.