Électrode macroporeuse 3D et haute

Scientific Reports volume 6, Numéro d'article : 18626 (2016) Citer cet article

6062 Accès

47 citations

1 Altmétrique

Détails des métriques

Une architecture poreuse tridimensionnelle constitue une structure d'électrode attrayante, car elle possède une intégrité structurelle intrinsèque et une capacité à amortir les contraintes dans les batteries lithium-ion causées par les changements de volume importants dans les matériaux d'anode de haute capacité au cours du cyclage. Nous rapportons ici la première démonstration d’une anode en mousse de Cu macroporeuse recouverte de SnO2 en utilisant une combinaison simple et évolutive de processus de coulée par congélation directionnelle et de revêtement sol-gel. L'anode tridimensionnelle interconnectée est composée de canaux micrométriques alignés séparés par des parois de Cu recouvertes de SnO2 et des pores micrométriques beaucoup plus fins, ajoutant à la surface et offrant un espace pour l'expansion volumique de la couche de revêtement de SnO2. Avec cette anode, nous obtenons une capacité réversible élevée de 750 mAh g−1 à une cadence actuelle de 0,5 C après 50 cycles et une excellente capacité de cadence de 590 mAh g−1 à 2 C, ce qui est proche des meilleures performances de Sn- jusqu'à présent à base de matériaux à l'échelle nanométrique.

Le développement de technologies pour les appareils électroniques portables, les véhicules électriques et les applications de stockage d’énergie à l’échelle du réseau nécessite des batteries lithium-ion (LIB) hautes performances avec des densités d’énergie et de puissance élevées et de bonnes stabilités de cyclage1,2. Le dioxyde d'étain (SnO2), en tant qu'alternative prometteuse à l'anode graphitique actuellement utilisée pour les LIB de nouvelle génération, a reçu beaucoup d'attention en raison de sa capacité théorique élevée de 781 mAh g−1, soit 2 fois supérieure à celle de l'anode graphitique conventionnelle ( 372 mAhg−1)3,4. Cependant, l'application pratique de l'anode à base de SnO2 a été entravée par les changements de volume intrinsèquement sévères (jusqu'à 300 %) lors des grandes quantités d'insertion et d'extraction d'ions Li ; cela peut provoquer une pulvérisation du matériau actif et une perte de contact électrique, entraînant finalement une mauvaise rétention de capacité3,4,5. Pour résoudre ce problème, plusieurs stratégies ont été proposées, telles que les électrodes à l'échelle nanométrique6,7,8, les électrodes hybridées avec du carbone ou des polymères9,10,11,12 et les électrodes conçues pour des architectures uniques13,14,15,16.

Une architecture métallique poreuse tridimensionnelle (3D) devrait présenter plusieurs avantages importants, notamment : (i) un accès facile de l'électrolyte à la surface de l'électrode, (ii) un transfert de charge facilité à travers l'interface entre l'électrode et l'électrolyte, (iii) un soulagement des contraintes. sur la pulvérisation du matériau actif en fournissant des espaces vides pour absorber les changements de volume importants, en outre (iv) des chemins d'électrons élevés dans l'assemblage d'électrodes17,18,19. Diverses fabrications autour de l'échafaudage métallique 3D ont été explorées, telles que la structure opale inversée18,20, le treillis en acier inoxydable21, les mousses22,23,24, les longues chaînes de particules25 et l'assemblage de fibres26 ou de fils27. En outre, une architecture de distribution à double taille et forme de pores, un échafaudage métallique hautement poreux interdigité, peut améliorer la densité volumique du matériau actif en augmentant la surface de l'échafaudage 3D en tant que modèle pour le matériau actif déposé ou en tant que matériau actif lui-même18, 28. Un processus de coulée par congélation est une méthode simple, polyvalente et prometteuse pour préparer une structure de pores microscopiques hautement interconnectés29,30. Dans ce processus peu coûteux et évolutif, une solution est congelée et le solvant congelé est ensuite éliminé par lyophilisation, formant une structure corporelle macroporeuse comme une réplique de la structure du solvant solidifié29,30. Comme il s'agit d'un processus physique sans réactions chimiques et qu'il utilise des cristaux de glace obtenus à partir d'eau ou d'autres formes de matrice liquide, la coulée par congélation entraîne généralement la formation de pores à la surface de la structure de l'ordre de dizaines de micromètres en même temps que les canaux. comme des pores de plusieurs dizaines de micromètres dans la structure.

Nous rapportons ici un nouveau concept de conception d'anode SnO2, pour la première fois, basé sur une mousse de Cu macroporeuse 3D avec une double distribution de la taille des pores par une technique de coulée par congélation directionnelle. La mousse de Cu est utilisée à la fois comme collecteur de courant anodique et comme modèle pour une couche de revêtement SnO2. La mousse de Cu macroporeuse 3D fournit à la fois des entretoises métalliques continues pour agir comme des voies électroniques efficaces et des espaces vides locaux pour atténuer les contraintes générées par les changements de volume importants de la couche de revêtement SnO2 pendant le cyclage. Cette combinaison de propriétés dans l'électrode démontre une capacité réversible élevée, une capacité de débit supérieure et une rétention de cycle stable tout en préservant son intégrité structurelle.