カーボンナノファイバーにビーズ状の MnO 膜を使用し、高電圧用のフレキシブルアノードとして使用

Scientific Reports volume 5、記事番号: 14146 (2015) この記事を引用

3359 アクセス

34 件の引用

メトリクスの詳細

MnO/カーボンナノファイバーの自立型でありながら柔軟な膜は、容易なエレクトロスピニング技術によってポリマー溶液にMnO2ナノワイヤーを組み込むことによって首尾よく製造される。 紡糸したままの膜の安定化および炭化プロセス中に、ポリマーがアモルファス状態からカーボンナノファイバーのグラファイト構造に変換されると同時に、MnO2 ナノワイヤーが MnO ナノ粒子に変換されます。 このハイブリッドは、多孔質カーボン内でビーズ状になっている孤立した MnO ナノ粒子で構成されており、リチウムイオン電池のバインダーフリーのアノードとして使用すると優れた性能を発揮します。 最適化された量の MnO (34.6 wt%) により、アノードは 0.1 A g-1 で 150 回の放電/充電サイクル後に 987.3 mAh g-1 という高い可逆容量を示し、良好なレート能力 (406.1 mAh g-1) 3 A g-1 で）および優れたサイクル性能（0.5 A g-1 で 280 サイクルにわたって 655 mAh g-1）。 さらに、ハイブリッドアノードは、柔軟な電極として曲げ状態でも良好な電気化学的性能を維持します。

フレキシブルなリチウムイオン電池 (LIB) は、将来の電子機器の次世代エネルギー源として大きな期待を集めています。 彼らは、スマート衣類、電子スキン、ウェアラブルセンサーなどを含む、さまざまな有望な用途を発見しました1,2。 フレキシブル LIB のコア コンポーネントとして、フレキシブル電極は通常、カーボン ナノチューブ (CNT)3、4、5、グラフェン 6、7、8、カーボンなどのフィルム状カーボン ベースの材料上またはその中に構築された、さまざまな機能性有機および/または無機材料から作られています。さらに、ハイブリッドで活物質を最大限に活用するには、活物質の好ましい質量負荷が重要です。 カーボンナノファイバー（CNF）膜は、低コストで加工が容易であるため、金属または金属酸化物/炭素複合材料を構築するための自立型で柔軟な基板として使用するのに有利です13。 エレクトロスピニングプロセスとその後の安定化および炭化は、CNF 膜を製造するための容易で制御可能な方法であることが証明されています 14。 Ge/CNF15、Se/CNT16、Ti/CNF17、MoS2/CNF18 などの一部の CNF ベースのシステムは、LIB またはナトリウムイオン電池 (SIB) のフレキシブル電極用に製造および研究されています。 したがって、ＣＮＦ膜の作製中に、適切な形態の金属化合物がその場でＣＮＦに導入されることが強く望まれている。

最近、マンガンベースのナノ材料がエネルギー貯蔵のために集中的に研究されています19、20、21。 MnO は、その高い理論容量 (756 mAh g-1)、低い変換電位 (Li/Li+ に対してそれぞれ 0.5 V と 1.2 V の平均放電電圧と充電電圧)、環境に優しい特徴と低コストのため、多くの注目を集めています。 23、24。 容量の低下やレート特性の低下という欠点に対処するために、MnO/メソポーラスカーボン 25,26、MnO/グラフェン 23,27,28,29,30、MnO/カーボン 21 ナノワイヤ 31,32,33 など、いくつかの MnO-カーボンハイブリッドが開発されています。しかし、ほとんどの場合、前述の製品は粉末でした。 Huang のグループはエレクトロスピニング技術によって MnO/CNF 複合材料を製造しましたが、電極の製造には依然としてポリマーバインダーが使用されていました 31。 ここでは、エレクトロスピニングとそれに続く安定化および炭化プロセスを通じてポリアクリロニトリル（PAN）溶液にMnO2ナノワイヤー（NW）を導入することにより、CNF膜にビーズ化したMnOナノ粒子（NP）の合成を実証しました。 MnO2 NW から MnO NP への構造変換には、非晶質ポリマーから多孔質黒鉛 CNF への同時変換が伴いました。 多孔質CNFにMnO NPが均一に埋め込まれた得られた膜は、フレキシブルLIB用のバインダーフリー電極として直接使用できます。 CNF 中の MnO NP の添加量が複合材料の電気化学的性能に及ぼす影響も調査されました。 MnO (34.6 wt%) を適切に添加すると、MnO/CNF (MnC) 膜は、0.1 A g-1 で 150 回の放電/充電サイクル後に 987.3 mAh g-1 という高い可逆容量、良好なレート容量 (406.1 3 A g-1 で mAh g-1）と優れたサイクル性能（0.5 A g-1 で 280 サイクルで 655 mAh g-1）。 さらに、ハイブリッド膜は曲げ状態でも優れた電気化学的性能を示し、フレキシブル LIB 用途の高性能アノード材料として大きな可能性を示しています。