Array uniformi di nanofili di nichel vanadato (Ni3V2O8) organizzati da nanofogli ultrasottili con proprietà di stoccaggio del litio migliorate

Scientific Reports volume 6, numero articolo: 20826 (2016) Citare questo articolo

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Lo sviluppo di nano-architetture tridimensionali sui collettori attuali è emerso come una strategia efficace per migliorare la capacità di velocità e la stabilità ciclica degli elettrodi. Qui, un nuovo tipo di nanofili Ni3V2O8, organizzati da nanofogli gerarchici ultrasottili (meno di 5 nm) su un foglio di Ti, è stato ottenuto mediante un metodo di sintesi idrotermale in due fasi. Vengono condotti studi sulle proprietà strutturali e termiche degli array di nanofili Ni3V2O8 preparati e la loro morfologia è cambiata ovviamente nel successivo trattamento termico a 300 e 500 ° C. Come materiale per elettrodi per batterie agli ioni di litio, la configurazione unica dei nanofili Ni3V2O8 presenta una capacità migliorata, una capacità di velocità soddisfacente e una buona stabilità del ciclo. La capacità reversibile degli array di nanofili Ni3V2O8 così preparati raggiunge 969,72 mAh·g−1 con un'efficienza coulombica superiore al 99% a 500 mA·g−1 dopo 500 cicli.

La conversione e lo stoccaggio dell'energia rappresentano senza dubbio una delle maggiori sfide del mondo odierno1. Le batterie agli ioni di litio (LIB) sono considerate tra le scelte migliori grazie alla loro elevata energia specifica e al lungo ciclo di vita nei dispositivi elettronici di consumo portatili, nei veicoli elettrici e nello stoccaggio di elettricità su larga scala nelle reti intelligenti2,3,4. Ha guidato gli estesi sforzi di ricerca sullo sviluppo di materiali per elettrodi con capacità specifica più elevata. In particolare, i materiali che immagazzinano ioni di litio (ioni Li+) attraverso reazioni di conversione (come MnO25, Co3O46, V2O57) o reazioni di lega (come Si8, Sn1) sono stati suggeriti come materiali alternativi promettenti a causa della loro capacità specifica intrinsecamente elevata. Tuttavia, esiste uno svantaggio per i materiali per elettrodi LIB disponibili in commercio a causa della diffusività intrinseca degli ioni Li+ allo stato solido (circa 10−8 cm2 s−1), che inevitabilmente limita le prestazioni di carica/scarica9,10. Inoltre, questi materiali subiscono tipicamente un cambiamento significativo di volume durante la litiazione e la delitiazione a causa dell'assorbimento di grandi atomi di litio nella struttura e della conseguente trasformazione di fase. Gli approcci per migliorare la cinetica di trasporto di ioni/elettroni e accogliere la tensione indotta dalla variazione di volume nelle LIB includono il rivestimento di materiale elettroliticamente attivo con uno strato conduttivo11,12,13. Progettare i materiali degli elettrodi con caratteristiche su scala nanometrica è un metodo alternativo utile perché le nanostrutture possono aiutare a ridurre la lunghezza di diffusione degli ioni Li+ durante il processo di carica/scarica e ad aumentare l'area di contatto interfacciale tra elettrodo ed elettrolita, portando così a una densità di potenza specifica significativamente migliorata e densità di energia rispetto ai materiali non nanostrutturali14,15,16,17,18,19. I materiali a struttura gerarchica con almeno una dimensione sulla scala di lunghezza nanometrica (nanostrutture gerarchiche) possono combinare proprietà desiderabili del materiale sfuso (come stabilità strutturale ed elevata densità di presa) con proprietà funzionali regolabili in termini di dimensioni per la costruzione di dispositivi di accumulo di energia elettrochimica (LIB) e supercondensatori)20,21.

L'ossido di nichel (NiO), un ossido di metallo di transizione di base arricchito in risorse naturali con benignità ambientale, è stato considerato uno dei materiali elettrodici più affascinanti per lo stoccaggio del litio22,23,24,25. Le principali sfide per implementare gli anodi basati su NiO sono la loro bassa conduttività elettronica e la grande variazione di volume durante l'inserimento e l'estrazione del litio, come menzionato sopra. Per risolvere questi problemi, sono stati proposti anche ossidi metallici binari, come NiMn2O426 e NiCo2O427, come materiali anodici per migliorare le loro prestazioni elettrochimiche. In questo caso, gli ossidi metallici binari hanno conduttività elettrica e prestazioni elettrochimiche molto più elevate rispetto al singolo ossido27,28. La maggiore conduttività elettronica è favorevole al rapido trasferimento degli elettroni in un elettrodo. Recentemente, i vanadati dei metalli di transizione (MVxOy), che sono correlati a V2O5 con stati di ossidazione sintonizzabili (V5+, V4+ e V3+), hanno ricevuto crescente attenzione per potenziali applicazioni in vari campi a causa della loro struttura stratificata e delle proprietà fisiche, chimiche ed elettriche uniche7 ,29. La stabilità del ciclo dell'elettrodo degli ossidi di vanadio puri è stata notevolmente migliorata mediante l'aggiunta di ioni M (=Li, Fe, Cr o Na) in questi ossidi di vanadio ospiti, come LiV3O830, FeVO431, Cr0.11V2O5.1632, Na5V12O3233. Questi ioni M aggiuntivi sono stati disposti in modo da formare pilastri tra gli strati di ossido di vanadio e quindi stabilizzare la struttura durante l'inserimento/estrazione del Li+33,34.