Matrizes uniformes de nanofios de vanadato de níquel (Ni3V2O8) organizadas por nanofolhas ultrafinas com propriedades aprimoradas de armazenamento de lítio

Scientific Reports volume 6, Artigo número: 20826 (2016) Citar este artigo

4672 Acessos

62 citações

Detalhes das métricas

O desenvolvimento de nanoarquiteturas tridimensionais em coletores de corrente surgiu como uma estratégia eficaz para melhorar a capacidade de taxa e a estabilidade do ciclo dos eletrodos. Aqui, um novo tipo de nanofios Ni3V2O8, organizados por nanofolhas hierárquicas ultrafinas (menos de 5 nm) em folha de Ti, foi obtido por um método de síntese hidrotérmica em duas etapas. Estudos sobre as propriedades estruturais e térmicas dos arranjos de nanofios Ni3V2O8 preparados são realizados e sua morfologia mudou obviamente no tratamento térmico seguinte a 300 e 500 °C. Como material de eletrodo para baterias de íon de lítio, a configuração exclusiva dos nanofios Ni3V2O8 apresenta capacitância aprimorada, capacidade de taxa satisfatória e boa estabilidade de ciclagem. A capacidade reversível dos arranjos de nanofios Ni3V2O8 preparados atinge 969,72 mAh·g-1 com uma eficiência coulombiana superior a 99% a 500 mA·g-1 após 500 ciclos.

A conversão e o armazenamento de energia são, sem dúvida, um dos maiores desafios do mundo atual1. As baterias de íons de lítio (LIBs) são consideradas uma das melhores escolhas devido à sua alta energia específica e longo ciclo de vida em dispositivos eletrônicos portáteis de consumo, veículos elétricos e armazenamento de eletricidade em grande escala em redes inteligentes2,3,4. Liderou extensos esforços de pesquisa no desenvolvimento de materiais de eletrodos com maior capacidade específica. Em particular, os materiais que armazenam íons de lítio (íons Li+) através de reações de conversão (como MnO25, Co3O46, V2O57) ou reações de liga (como Si8, Sn1) têm sido sugeridos como materiais alternativos promissores devido à sua capacidade específica intrinsecamente alta. No entanto, existe uma desvantagem para os materiais de eletrodos LIBs disponíveis comercialmente devido à difusividade intrínseca dos íons Li + no estado sólido (cerca de 10-8 cm2 s-1), o que inevitavelmente limita o desempenho de carga/descarga9,10. Além disso, estes materiais normalmente sofrem alterações significativas de volume durante a litiação e a delitiação devido à grande absorção de átomos de Li na estrutura e à transformação de fase que a acompanha. Abordagens para melhorar a cinética de transporte de íons/elétrons e acomodar a tensão induzida pela mudança de volume em LIBs incluem o revestimento de material eletroliticamente ativo com uma camada condutora. Projetar os materiais do eletrodo com características em nanoescala é um método alternativo útil porque as nanoestruturas podem ajudar a reduzir o comprimento de difusão dos íons Li+ durante o processo de carga/descarga e aumentar a área de contato interfacial entre o eletrodo e o eletrólito, levando assim a uma densidade de potência específica significativamente melhorada e densidade de energia em comparação com materiais não nanoestruturados14,15,16,17,18,19. Materiais de estrutura hierárquica com pelo menos uma dimensão na escala de comprimento nanométrica (nanoestruturas hierárquicas) podem combinar propriedades desejáveis ​​do material a granel (como estabilidade estrutural e alta densidade de derivação) com propriedades funcionais ajustáveis ​​em tamanho para a construção de dispositivos de armazenamento de energia eletroquímica (LIBs). e supercapacitores)20,21.

O óxido de níquel (NiO), um óxido de metal de transição básico enriquecido em recursos naturais com benignidade ambiental, tem sido considerado um dos materiais de eletrodos fascinados para armazenamento de lítio . Os principais desafios para implementar ânodos baseados em NiO são a sua baixa condutividade eletrônica e a grande mudança de volume durante a inserção e extração de lítio, conforme mencionado acima. Para resolver esses problemas, óxidos metálicos binários, como NiMn2O426 e NiCo2O427, também foram propostos como materiais anódicos para melhorar seu desempenho eletroquímico. Nesse caso, os óxidos metálicos binários apresentam condutividade elétrica e desempenho eletroquímico muito mais elevados do que o óxido único . A maior condutividade eletrônica é favorável para a rápida transferência de elétrons em um eletrodo. Recentemente, vanadatos de metais de transição (MVxOy), que estão relacionados ao V2O5 com estados de oxidação ajustáveis ​​(V5+, V4+ e V3+), têm recebido atenção crescente para aplicações potenciais em vários campos devido à sua estrutura em camadas, propriedades físicas, químicas e elétricas únicas7 ,29. A estabilidade do ciclo do eletrodo de óxidos de vanádio puros foi bastante melhorada pela adição de íons M (=Li, Fe, Cr ou Na) a esses óxidos de vanádio hospedeiros, como LiV3O830, FeVO431, Cr0.11V2O5.1632, Na5V12O3233. Esses íons M adicionais foram dispostos para formar pilares entre as camadas de óxido de vanádio e assim estabilizaram a estrutura durante a inserção/extração de Li+33,34.