Membrane di MnO Beading in nanofibre di carbonio come anodi flessibili per alta

Scientific Reports volume 5, numero articolo: 14146 (2015) Citare questo articolo

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Membrane indipendenti ma flessibili di nanofibre di MnO/carbonio vengono fabbricate con successo incorporando nanofili di MnO2 in una soluzione polimerica mediante una facile tecnica di elettrofilatura. Durante i processi di stabilizzazione e carbonizzazione delle membrane as-spun, la trasformazione dei nanofili di MnO2 in nanoparticelle di MnO coincide con una conversione del polimero da uno stato amorfo ad una struttura grafitica di nanofibre di carbonio. Gli ibridi sono costituiti da nanoparticelle isolate di MnO che penetrano nel carbonio poroso e dimostrano prestazioni superiori quando vengono utilizzati come anodo privo di leganti per batterie agli ioni di litio. Con una quantità ottimizzata di MnO (34,6 in peso), l'anodo mostra una capacità reversibile fino a 987,3 mAh g−1 dopo 150 cicli di scarica/carica a 0,1 A g−1, una buona capacità di velocità (406,1 mAh g−1 a 3 A g−1) e un'eccellente prestazione ciclica (655 mAh g−1 su 280 cicli a 0,5 A g−1). Inoltre, l'anodo ibrido mantiene una buona prestazione elettrochimica allo stato di flessione come elettrodo flessibile.

Le batterie flessibili agli ioni di litio (LIB) rappresentano una grande promessa per le fonti energetiche di prossima generazione dei futuri dispositivi elettronici. Hanno trovato un’ampia varietà di applicazioni promettenti tra cui vestiti intelligenti, skin elettroniche, sensori indossabili e così via1,2. Come componenti principali delle LIB flessibili, gli elettrodi flessibili sono generalmente costituiti da vari materiali funzionali organici e/o inorganici costruiti su/in materiali a base di carbonio simili a film provenienti da nanotubi di carbonio (CNT)3,4,5, grafene6,7,8, carbonio tessuti/tessuti9,10,11,12, ecc. Inoltre, un caricamento di massa preferibile di materiali attivi è importante per massimizzarne l'utilizzo negli ibridi. Grazie al basso costo e alla facile lavorazione, la membrana in nanofibre di carbonio (CNF) presenta i vantaggi di essere utilizzata come substrato indipendente e flessibile per costruire metalli o ossidi metallici/compositi di carbonio13. Il processo di elettrofilatura seguito da stabilizzazione e carbonizzazione si è dimostrato un modo semplice e controllabile per fabbricare membrane CNF14. Alcuni sistemi basati su CNF, come Ge/CNFs15, Se/CNTs16, Ti/CNFs17, MoS2/CNFs18 sono stati fabbricati e studiati per elettrodi flessibili di LIB o batterie agli ioni di sodio (SIB). Pertanto, è altamente auspicabile che una forma adeguata di composto metallico venga introdotta nei CNF in situ durante la fabbricazione delle membrane dei CNF.

Recentemente, i nanomateriali a base di Mn sono stati studiati intensamente per l'immagazzinamento di energia19,20,21. MnO ha attirato molta attenzione a causa della sua elevata capacità teorica (756 mAh g−1), del basso potenziale di conversione (tensioni medie di scarica e carica di 0,5 V e 1,2 V rispetto a Li/Li+, rispettivamente), delle caratteristiche rispettose dell'ambiente e del basso costo22, 23,24. Per affrontare i limiti di capacità in diminuzione e scarsa capacità di velocità, sono stati sviluppati alcuni ibridi MnO-carbonio, come i nanofili MnO/carbonio mesoporoso25,26, MnO/grafene23,27,28,29,30, MnO/carbonio2131,32,33 e MnO/CNT34,35,36, ecc. Tuttavia, nella maggior parte dei casi i suddetti prodotti erano in polvere. Sebbene il gruppo di Huang abbia fabbricato il composito MnO/CNF mediante una tecnica di elettrofilatura, per la fabbricazione degli elettrodi veniva ancora utilizzato un legante polimerico31. Qui, abbiamo dimostrato la sintesi di nanoparticelle di MnO (NP) nelle membrane CNF introducendo nanofili di MnO2 (NW) nella soluzione di poliacrilonitrile (PAN) attraverso l'elettrofilatura seguita da processi di stabilizzazione e carbonizzazione. La trasformazione strutturale da NW di MnO2 a NP di MnO è stata accompagnata dalla conversione simultanea del polimero amorfo in CNF grafitici porosi. Le membrane ottenute con NP di MnO uniformemente incorporate nei CNF porosi potrebbero essere utilizzate direttamente come elettrodo privo di leganti per LIB flessibili. Sono stati inoltre studiati gli effetti dei carichi di NP MnO nei CNF sulle prestazioni elettrochimiche dei compositi. Con un caricamento preferibile di MnO (34,6 in peso%), la membrana MnO/CNF (MnC) mostra un'elevata capacità reversibile di 987,3 mAh g−1 dopo 150 cicli di scarica/carica a 0,1 A g−1, una buona capacità di velocità (406,1 mAh g−1 a 3 A g−1) e un'eccellente prestazione ciclica (655 mAh g−1 su 280 cicli a 0,5 A g−1). Inoltre, la membrana ibrida mostra buone prestazioni elettrochimiche allo stato di flessione, dimostrando un grande potenziale come materiale anodico ad alte prestazioni per applicazioni LIB flessibili.