Membranes de perles de MnO dans les nanofibres de carbone comme anodes flexibles pour des performances élevées

Scientific Reports volume 5, Numéro d'article : 14146 (2015) Citer cet article

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Des membranes autonomes mais flexibles de nanofibres de MnO/carbone sont fabriquées avec succès en incorporant des nanofils de MnO2 dans une solution polymère par une technique d'électrofilage facile. Au cours des processus de stabilisation et de carbonisation des membranes telles que filées, les nanofils de MnO2 sont transformés en nanoparticules de MnO, ce qui coïncide avec la conversion du polymère d'un état amorphe à une structure graphitique de nanofibres de carbone. Les hybrides sont constitués de nanoparticules de MnO isolées perlant dans le carbone poreux et démontrent des performances supérieures lorsqu'ils sont utilisés comme anode sans liant pour les batteries lithium-ion. Avec une quantité optimisée de MnO (34,6 % en poids), l'anode présente une capacité réversible pouvant atteindre 987,3 mAh g−1 après 150 cycles de décharge/charge à 0,1 A g−1, une bonne capacité de débit (406,1 mAh g−1 à 3 A g−1) et une excellente performance en cyclage (655 mAh g−1 sur 280 cycles à 0,5 A g−1). De plus, l'anode hybride conserve de bonnes performances électrochimiques à l'état de flexion en tant qu'électrode flexible.

Les batteries flexibles lithium-ion (LIB) sont très prometteuses pour les sources d’énergie de nouvelle génération des futurs appareils électroniques. Ils ont trouvé une grande variété d’applications prometteuses, notamment les vêtements intelligents, les skins électroniques et les capteurs portables, etc.1,2. En tant que composants centraux des LIB flexibles, les électrodes flexibles sont généralement fabriquées à partir de divers matériaux organiques et/ou inorganiques fonctionnels construits sur/dans des matériaux à base de carbone de type film à partir de nanotubes de carbone (CNT)3,4,5, de graphène6,7,8, de carbone. tissus/textiles9,10,11,12, etc. Par ailleurs, un chargement massif préférable de matières actives est important pour maximiser leur utilisation dans les hybrides. En raison de son faible coût et de sa facilité de traitement, la membrane en nanofibres de carbone (CNF) présente des avantages pour être utilisée comme substrat autonome et flexible pour construire des métaux ou des composites oxydes métalliques/carbone13. Le processus d’électrofilage suivi de stabilisation et de carbonisation s’est avéré être un moyen simple et contrôlable de fabriquer des membranes CNF14. Certains systèmes basés sur les CNF, tels que Ge/CNFs15, Se/CNTs16, Ti/CNFs17, MoS2/CNFs18, ont été fabriqués et étudiés pour les électrodes flexibles des LIB ou des batteries sodium-ion (SIB). Par conséquent, il est hautement souhaitable qu’une forme appropriée de composé métallique soit introduite dans les CNF in situ lors de la fabrication des membranes de CNF.

Récemment, les nanomatériaux à base de manganèse ont été étudiés de manière intensive pour le stockage d'énergie19,20,21. Le MnO a attiré beaucoup d'attention en raison de sa capacité théorique élevée (756 mAh g−1), de son faible potentiel de conversion (tensions moyennes de décharge et de charge de 0,5 V et 1,2 V par rapport à Li/Li+, respectivement), de ses caractéristiques respectueuses de l'environnement et de son faible coût22, 23,24. Pour remédier à ses défauts de perte de capacité et de faible capacité de débit, certains hybrides MnO-carbone ont été développés, tels que les nanofils MnO/carbone mésoporeux25,26, MnO/graphène23,27,28,29,30, MnO/carbone2131,32,33. et MnO/CNT34,35,36, etc. Cependant, dans la plupart des cas, les produits susmentionnés étaient en poudre. Bien que le groupe de Huang ait fabriqué un composite MnO/CNF par une technique d'électrofilage, un liant polymère était toujours utilisé pour la fabrication des électrodes31. Ici, nous avons démontré la synthèse de nanoparticules de MnO (NP) perlant dans des membranes de CNF en introduisant des nanofils de MnO2 (NW) dans la solution de polyacrylonitrile (PAN) par électrofilage suivi de processus de stabilisation et de carbonisation. La transformation structurelle des MnO2 NW en MnO NP s'est accompagnée de la conversion simultanée du polymère amorphe en CNF graphitiques poreux. Les membranes obtenues avec des NP MnO uniformément incorporées dans les CNF poreux pourraient être utilisées directement comme électrode sans liant pour les LIB flexibles. Les effets des charges de MnO NP dans les CNF sur les performances électrochimiques des composites ont également été étudiés. Avec une charge préférable de MnO (34,6 % en poids), la membrane MnO/CNF (MnC) présente une capacité réversible élevée de 987,3 mAh g−1 après 150 cycles de décharge/charge à 0,1 A g−1, une bonne capacité de débit (406,1 mAh g−1 à 3 A g−1) et une excellente performance en cyclage (655 mAh g−1 sur 280 cycles à 0,5 A g−1). En outre, la membrane hybride présente de bonnes performances électrochimiques à l’état de flexion, démontrant un grand potentiel en tant que matériau d’anode haute performance pour les applications LIB flexibles.