リチウム貯蔵特性が強化された極薄ナノシートによって組織化された均一なバナジン酸ニッケル (Ni3V2O8) ナノワイヤー アレイ

Scientific Reports volume 6、記事番号: 20826 (2016) この記事を引用

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集電体上の三次元ナノ構造の開発は、電極のレート能力とサイクル安定性を高めるための効果的な戦略として浮上しています。 ここでは、Ti 箔上の極薄階層ナノシート (5 nm 未満) によって組織化された新しいタイプの Ni3V2O8 ナノワイヤが、2 段階の水熱合成法によって得られました。 調製したままの Ni3V2O8 ナノワイヤアレイの構造的および熱的特性に関する研究が行われ、その形態はその後の 300 および 500 °C での熱処理で明らかに変化しました。 リチウムイオン電池の電極材料として、Ni3V2O8 ナノワイヤの独自の構成により、静電容量が向上し、満足のいくレート性能と優れたサイクル安定性が得られます。 調製したままのNi3V2O8ナノワイヤアレイの可逆容量は、500サイクル後に500mA・g-1で99%を超えるクーロン効率で969.72mAh・g-1に達する。

エネルギーの変換と貯蔵は、間違いなく今日の世界における最大の課題の 1 つです1。 リチウムイオン電池 (LIB) は、比エネルギーが高く、サイクル寿命が長いため、ポータブル電子消費者機器、電気自動車、およびインテリジェントグリッドにおける大規模蓄電に最適な選択肢の 1 つと考えられています 2、3、4。 同社は、より高い比容量を備えた電極材料の開発に関する広範な研究努力を主導してきました。 特に、変換反応 (MnO25、Co3O46、V2O57 など) または合金化反応 (Si8、Sn1 など) を通じてリチウム イオン (Li+ イオン) を貯蔵する材料は、本質的に比容量が高いため、有望な代替材料として示唆されています。 ただし、固体状態での Li+ イオンの固有拡散率 (約 10-8 cm2 s-1) により、市販の LIB 電極材料には 1 つの欠点があり、充放電性能が必然的に制限されます 9,10。 さらに、これらの材料は通常、構造内への大量の Li 原子の取り込みとそれに伴う相変態により、リチウム化および脱リチウム化中に大幅な体積変化を受けます。 イオン/電子輸送速度を高め、LIB の体積変化によって引き起こされる歪みに対応するアプローチには、電解活性材料を導電層でコーティングすることが含まれます 11、12、13。 ナノスケールの特徴を備えた電極材料を設計することは、代替の有用な方法です。ナノ構造は、充電/放電プロセス中の Li+ イオンの拡散長を短縮し、電極と電解質の間の界面接触面積を増加させるのに役立ち、その結果、比出力密度が大幅に向上し、非ナノ構造材料と比較したエネルギー密度14、15、16、17、18、19。 ナノメートル長スケールで少なくとも 1 つの次元を持つ階層構造材料 (階層的ナノ構造) は、電気化学エネルギー貯蔵デバイス (LIB) の構築に望ましいバルク材料特性 (構造安定性や高いタップ密度など) とサイズ調整可能な機能特性を組み合わせることができます。およびスーパーキャパシタ）20、21。

環境に優しい自然資源が豊富に含まれる塩基性遷移金属酸化物である酸化ニッケル (NiO) は、リチウム貯蔵用の注目の電極材料の 1 つと考えられています 22、23、24、25。 NiO ベースのアノードを実装する際の主な課題は、前述したように、電子伝導性が低く、リチウムの挿入および抽出中に体積が大きく変化することです。 これらの問題に対処するために、NiMn2O426 や NiCo2O427 などの二元金属酸化物も、電気化学的性能を向上させるアノード材料として提案されています。 この場合、二元金属酸化物は単一酸化物よりもはるかに高い導電性と電気化学的性能を備えています27,28。 電子伝導性が高いほど、電極内での電子の迅速な移動に有利です。 最近、調整可能な酸化状態 (V5+、V4+、および V3+) を持つ V2O5 に関連する遷移金属バナジン酸塩 (MVxOy) が、その層状構造、独特の物理的、化学的、および電気的特性により、さまざまな分野での潜在的な用途としてますます注目を集めています7 、29。 純粋なバナジウム酸化物の電極サイクル安定性は、LiV3O830、FeVO431、Cr0.11V2O5.1632、Na5V12O3233 などのホスト酸化バナジウムに M (=Li、Fe、Cr、または Na) イオンを添加することによって大幅に改善されました。 これらの追加の M イオンは、酸化バナジウム層の間に柱を形成するように配置され、Li+ の挿入/抽出中に構造を安定化しました 33,34。