탄소나노섬유의 MnO 비딩막을 유연한 양극으로 활용

Scientific Reports 5권, 기사 번호: 14146(2015) 이 기사 인용

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자립하면서도 유연한 MnO/탄소 나노섬유 막은 손쉬운 전기방사 기술을 통해 MnO2 나노와이어를 고분자 용액에 통합함으로써 성공적으로 제조되었습니다. 방사된 막의 안정화 및 탄화 과정 동안, MnO2 나노와이어는 중합체가 비정질 상태에서 탄소 나노섬유의 흑연 구조로 전환되는 것과 동시에 MnO 나노입자로 변환됩니다. 하이브리드는 다공성 탄소에 비딩된 분리된 MnO 나노입자로 구성되며 리튬 이온 배터리용 바인더 없는 양극으로 사용될 때 탁월한 성능을 보여줍니다. 최적화된 양의 MnO(34.6wt%)를 사용하여 양극은 0.1Ag-1에서 150회 방전/충전 사이클 후 987.3mAhg-1만큼 높은 가역 용량을 나타내며, 우수한 속도 성능(406.1mAhg-1)을 나타냅니다. 3 A g−1에서) 및 뛰어난 사이클링 성능(0.5 A g−1에서 280사이클에 걸쳐 655 mAh g−1)을 나타냅니다. 또한, 하이브리드 음극은 유연한 전극으로서 굽힘 상태에서도 좋은 전기화학적 성능을 유지한다.

유연한 리튬 이온 배터리(LIB)는 미래 전자 장치의 차세대 에너지원으로 큰 가능성을 가지고 있습니다. 그들은 스마트 의류, 전자 스킨, 웨어러블 센서 등을 포함하여 다양하고 유망한 응용 분야를 발견했습니다1,2. 유연한 LIB의 핵심 구성 요소인 유연한 전극은 일반적으로 탄소나노튜브(CNT)3,4,5, 그래핀6,7,8, 탄소 등의 필름형 탄소 기반 재료 위에 구축된 다양한 기능성 유기 및/또는 무기 재료로 만들어집니다. 천/직물9,10,11,12 등. 또한, 하이브리드에서의 활용도를 최대화하려면 활성 물질의 바람직한 대량 로딩이 중요합니다. 저렴한 비용과 쉬운 가공으로 인해 탄소나노섬유(CNF) 멤브레인은 금속 또는 금속 산화물/탄소 복합재를 구성하기 위한 독립형 및 유연한 기판으로 사용되는 장점이 있습니다. 안정화 및 탄화에 이은 전기방사 공정은 CNF 멤브레인을 제조하기 위한 쉽고 제어 가능한 방법임이 입증되었습니다. Ge/CNFs15, Se/CNTs16, Ti/CNFs17, MoS2/CNFs18과 같은 일부 CNF 기반 시스템은 LIB 또는 나트륨 이온 배터리(SIB)의 유연한 전극에 대해 제작되고 연구되었습니다. 따라서 CNF 멤브레인을 제조하는 동안 적절한 형태의 금속 화합물이 현장에서 CNF에 도입된다면 매우 바람직합니다.

최근 Mn 기반 나노물질은 에너지 저장을 위해 집중적으로 연구되어 왔다. MnO는 높은 이론 용량(756 mAh g−1), 낮은 변환 전위(평균 방전 및 충전 전압 각각 0.5V 및 1.2V vs. Li/Li+), 환경 친화적인 특징 및 저렴한 비용으로 인해 많은 주목을 받았습니다. 23,24. 용량 페이딩 및 낮은 속도 성능의 단점을 해결하기 위해 MnO/중다공성 탄소25,26, MnO/그래핀23,27,28,29,30, MnO/탄소21 나노와이어31,32,33과 같은 일부 MnO-탄소 하이브리드가 개발되었습니다. 및 MnO/CNTs34,35,36 등. 그러나 대부분의 경우 위에서 언급한 제품은 분말 형태였습니다. Huang의 그룹은 전기방사 기술을 사용하여 MnO/CNF 복합체를 제조했지만 전극 제조에는 여전히 고분자 바인더가 사용되었습니다. 여기서 우리는 전기방사와 안정화 및 탄화 과정을 통해 폴리아크릴로니트릴(PAN) 용액에 MnO2 나노와이어(NW)를 도입함으로써 CNF 막에서 MnO 나노입자(NP) 비딩의 합성을 입증했습니다. MnO2 NW에서 MnO NP로의 구조적 변형은 비정질 폴리머가 다공성 흑연 CNF로 동시에 전환되는 것을 동반했습니다. 다공성 CNF에 MnO NP가 균일하게 내장된 멤브레인은 유연한 LIB용 바인더 없는 전극으로 직접 사용될 수 있습니다. 복합재의 전기화학적 성능에 대한 CNF의 MnO NP 로딩 효과도 조사되었습니다. MnO(34.6wt%)의 바람직한 로딩으로 MnO/CNFs(MnC) 막은 0.1Ag-1에서 150회 방전/충전 사이클 후 987.3mAhg-1의 높은 가역 용량을 나타냅니다. 3A g−1에서 mAh g−1) 및 탁월한 사이클링 성능(0.5A g−1에서 280사이클에 걸쳐 655mAh g−1)을 나타냅니다. 게다가, 하이브리드 멤브레인은 굽힘 상태에서 우수한 전기화학적 성능을 보여 유연한 LIB 응용을 위한 고성능 양극 소재로서 큰 잠재력을 보여줍니다.