3D 거대다공성 전극 및 높은

Scientific Reports 6권, 기사 번호: 18626(2016) 이 기사 인용

6062 액세스

47 인용

1 알트메트릭

측정항목 세부정보

3차원 다공성 구조는 본질적인 구조적 무결성과 사이클링 중 고용량 양극 재료의 큰 부피 변화로 인해 발생하는 리튬 이온 배터리의 응력을 완충하는 능력을 갖기 때문에 매력적인 전극 구조를 만듭니다. 여기서 우리는 방향성 동결 주조 및 졸-겔 코팅 공정의 간편하고 확장 가능한 조합을 사용하여 SnO2 코팅 거대 다공성 Cu 폼 양극의 첫 번째 시연을 보고합니다. 3차원으로 상호 연결된 양극은 SnO2 코팅된 Cu 벽과 훨씬 더 미세한 마이크로미터 기공으로 분리된 정렬된 마이크로 크기 채널로 구성되어 표면적을 늘리고 SnO2 코팅 층의 부피 확장을 위한 공간을 제공합니다. 이 양극을 사용하여 50사이클 후 0.5C의 전류 속도에서 750mAh g−1의 높은 가역 용량을 달성하고 2C에서 590mAh g−1의 우수한 속도 성능을 달성합니다. 이는 Sn-의 최고 성능에 가깝습니다. 지금까지 나노 규모의 소재를 기반으로 했습니다.

휴대용 전자 장치, 전기 자동차 및 그리드 규모 에너지 저장 애플리케이션을 위한 기술을 개발하려면 높은 에너지, 높은 전력 밀도 및 우수한 사이클링 안정성을 갖춘 고성능 리튬 이온 배터리(LIB)가 필요합니다1,2. 현재 차세대 LIB에 사용되는 흑연계 음극의 유망한 대안으로 이산화주석(SnO2)은 기존 흑연계 음극보다 2배 높은 781mAh g−1의 높은 이론 용량으로 인해 많은 주목을 받고 있다. 372mAh g−1)3,4. 그러나 SnO2 기반 양극의 실제 적용은 대량의 Li 이온 삽입 및 추출 동안 본질적으로 심각한 부피 변화(최대 300%)로 인해 방해를 받았습니다. 이로 인해 활물질이 분쇄되고 전기적 접촉이 손실되어 결국 용량 유지력이 저하될 수 있습니다3,4,5. 이 문제를 해결하기 위해 나노 크기 전극6,7,8, 탄소 또는 폴리머와 혼성화된 전극9,10,11,12, 독특한 아키텍처를 위해 설계된 전극과 같은 여러 전략이 제안되었습니다.

3차원(3D) 다공성 금속 구조는 다음과 같은 몇 가지 중요한 이점을 가져야 합니다. (i) 전극 표면에 대한 전해질의 손쉬운 접근, (ii) 전극과 전해질 사이의 계면을 통한 전하 이동 촉진, (iii) 응력 완화 큰 부피 변화를 흡수할 수 있는 공극 공간을 제공하고 추가적으로 (iv) 전극 조립체의 높은 전자 경로를 제공하여 활물질의 분쇄에 영향을 미칩니다. 역오팔 구조18,20, 스테인레스 스틸 메쉬21, 폼22,23,24, 입자의 긴 사슬25 및 섬유26 또는 와이어 어셈블리와 같은 3D 금속 발판에 대한 다양한 제작이 탐구되었습니다. 또한, 서로 맞물린 고다공성 금속 지지체인 이중 기공 크기 및 기공 모양 분포 구조는 증착된 활성 물질의 템플릿 또는 활성 물질 자체로서 3D 지지체의 표면적을 증가시켜 활성 물질의 부피 밀도를 향상시킬 수 있습니다. 28. 동결 주조 공정은 고도로 상호 연결된 미세 기공 구조를 준비하는 쉽고 다양하며 유망한 방법입니다. 이 저비용 및 확장 가능한 프로세스에서는 용액이 동결되고 동결된 용매가 동결 건조에 의해 제거되어 고형화된 용매 구조의 복제로서 거대 다공성 몸체 구조를 형성합니다. 화학반응이 없는 물리적 공정이고 물이나 다른 형태의 액체 주형에서 얻은 얼음 결정을 사용하기 때문에 일반적으로 구조물 표면에 채널 형성과 동시에 수십 마이크로미터 크기의 기공이 생성됩니다. 구조에 수십 마이크로미터의 기공이 있는 것과 같습니다.

우리는 방향성 동결 주조 기술을 통해 이중 기공 크기 분포를 갖는 3D 거대 다공성 Cu 폼을 기반으로 하는 새로운 SnO2 양극 설계 개념을 처음으로 보고합니다. Cu 폼은 양극 집전체와 SnO2 코팅층의 템플릿으로 활용됩니다. 3D 거대 다공성 Cu 폼은 효과적인 전자 경로 역할을 하는 연속적인 금속 지지대와 사이클링 중 SnO2 코팅층의 큰 부피 변화로 인해 발생하는 응력을 완화하는 국부적 공극 공간을 모두 제공합니다. 전극의 이러한 특성 조합은 구조적 무결성을 유지하면서 높은 가역 용량, 우수한 속도 성능 및 안정적인 사이클 유지를 보여줍니다.