강화된 리튬 저장 특성을 지닌 초박형 나노시트로 구성된 균일한 니켈 바나듐산염(Ni3V2O8) 나노와이어 어레이

Scientific Reports 6권, 기사 번호: 20826(2016) 이 기사 인용

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집전체의 3차원 나노 아키텍처 개발은 전극의 속도 성능과 사이클링 안정성을 향상시키기 위한 효과적인 전략으로 나타났습니다. 여기서는 Ti 포일 위에 초박형 계층적 나노시트(5nm 미만)로 구성된 새로운 유형의 Ni3V2O8 나노와이어가 2단계 열수 합성 방법으로 얻어졌습니다. 준비된 Ni3V2O8 나노와이어 어레이의 구조적 및 열적 특성에 대한 연구가 수행되었으며 그 형태는 300°C와 500°C의 다음 열처리에서 명백하게 변경되었습니다. 리튬 이온 배터리용 전극 재료로서 Ni3V2O8 나노와이어의 독특한 구성은 향상된 정전 용량, 만족스러운 속도 성능 및 우수한 사이클링 안정성을 제공합니다. 준비된 Ni3V2O8 나노와이어 어레이의 가역 용량은 500사이클 후 500mA·g−1에서 99% 이상의 쿨롱 효율로 969.72mAh·g−1에 도달합니다.

에너지 변환 및 저장은 의심할 여지 없이 오늘날 세계에서 가장 큰 과제 중 하나입니다1. 리튬 이온 배터리(LIB)는 휴대용 전자 소비자 기기, 전기 자동차 및 지능형 그리드의 대규모 전기 저장 장치에서 높은 비에너지와 긴 사이클 수명으로 인해 최선의 선택으로 간주됩니다2,3,4. 보다 높은 비용량을 갖는 전극 재료 개발에 대한 광범위한 연구 노력을 주도해 왔습니다. 특히, 전환반응(MnO25, Co3O46, V2O57 등)이나 합금반응(Si8, Sn1 등)을 통해 리튬이온(Li+ 이온)을 저장하는 소재는 본질적으로 높은 비용량으로 인해 유망한 대체 소재로 제시되고 있다. 그러나 고체 상태에서 Li+ 이온의 고유 확산도(약 10-8 cm2 s-1)로 인해 상업적으로 이용 가능한 LIB 전극 재료에는 한 가지 단점이 존재하며, 이는 충전/방전 성능을 불가피하게 제한합니다9,10. 또한, 이러한 물질은 일반적으로 구조 내 큰 Li 원자 흡수 및 그에 따른 상 변형으로 인해 리튬화 및 탈리튬화 중에 상당한 부피 변화를 겪습니다. 이온/전자 수송 역학을 향상시키고 LIB의 부피 변화로 인한 변형을 수용하기 위한 접근법에는 전해질 활성 물질을 전도성 층으로 코팅하는 것이 포함됩니다. 나노크기 특성을 갖는 전극 재료를 설계하는 것은 나노구조가 충전/방전 과정에서 Li+ 이온의 확산 길이를 줄이고 전극과 전해질 사이의 계면 접촉 면적을 증가시켜 비전력 밀도 및 비나노구조 물질과 비교한 에너지 밀도14,15,16,17,18,19. 나노미터 길이 규모에서 적어도 한 차원을 갖는 계층적 구조 재료(계층적 나노구조)는 전기화학적 에너지 저장 장치(LIB)의 구성을 위해 바람직한 벌크 재료 특성(예: 구조적 안정성 및 높은 탭 밀도)과 크기 조정 가능한 기능적 특성을 결합할 수 있습니다. 및 슈퍼커패시터)20,21.

환경 친화적인 천연 자원이 풍부한 기본 전이 금속 산화물인 산화니켈(NiO)은 리튬 저장을 위한 매혹적인 전극 재료 중 하나로 간주되어 왔습니다. NiO 기반 양극을 구현하는 데 있어 주요 과제는 위에서 언급한 것처럼 리튬 삽입 및 추출 중 전자 전도성이 낮고 부피 변화가 크다는 것입니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 NiMn2O426, NiCo2O427과 같은 이원 금속 산화물도 전기화학적 성능을 향상시키는 양극 재료로 제안되었습니다. 이 경우 이원 금속 산화물은 단일 산화물보다 훨씬 더 높은 전기 전도성과 전기 화학적 성능을 갖습니다. 전자 전도도가 높을수록 전극 내 전자의 신속한 이동에 유리합니다. 최근 조정 가능한 산화 상태(V5+, V4+ 및 V3+)를 갖는 V2O5와 관련된 전이 금속 바나듐산염(MVxOy)은 층상 구조, 독특한 물리적, 화학적 및 전기적 특성으로 인해 다양한 분야에서 잠재적인 응용에 대한 관심이 높아지고 있습니다7 ,29. 순수한 바나듐 산화물의 전극 순환 안정성은 LiV3O830, FeVO431, Cr0.11V2O5.1632, Na5V12O3233과 같은 호스트 바나듐 산화물에 M(=Li, Fe, Cr 또는 Na) 이온을 첨가함으로써 크게 향상되었습니다. 이러한 추가 M 이온은 바나듐 산화물 층 사이에 기둥을 형성하도록 배열되어 Li+ 삽입/추출 동안 구조를 안정화했습니다.