Réseaux de nanofils uniformes de vanadate de nickel (Ni3V2O8) organisés par des nanofeuilles ultraminces avec des propriétés de stockage de lithium améliorées

Scientific Reports volume 6, Numéro d'article : 20826 (2016) Citer cet article

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Le développement de nano-architectures tridimensionnelles sur des collecteurs de courant s'est révélé être une stratégie efficace pour améliorer la capacité de débit et la stabilité du cyclage des électrodes. Ici, un nouveau type de nanofils Ni3V2O8, organisés en nanofeuillets hiérarchiques ultraminces (moins de 5 nm) sur une feuille de Ti, a été obtenu par une méthode de synthèse hydrothermale en deux étapes. Des études sur les propriétés structurelles et thermiques des réseaux de nanofils Ni3V2O8 tels que préparés sont réalisées et leur morphologie a évidemment changé lors du traitement thermique suivant à 300 et 500 °C. En tant que matériau d'électrode pour les batteries lithium-ion, la configuration unique des nanofils Ni3V2O8 présente une capacité améliorée, une capacité de débit satisfaisante et une bonne stabilité de cyclage. La capacité réversible des réseaux de nanofils Ni3V2O8 tels que préparés atteint 969,72 mAh·g−1 avec une efficacité coulombienne supérieure à 99 % à 500 mA·g−1 après 500 cycles.

La conversion et le stockage de l'énergie constituent sans aucun doute l'un des plus grands défis du monde d'aujourd'hui1. Les batteries lithium-ion (LIB) sont considérées comme l'un des meilleurs choix en raison de leur énergie spécifique élevée et de leur longue durée de vie dans les appareils électroniques portables grand public, les véhicules électriques et le stockage d'électricité à grande échelle dans les réseaux intelligents2,3,4. Elle a dirigé des efforts de recherche approfondis sur le développement de matériaux d’électrodes dotés d’une capacité spécifique plus élevée. En particulier, les matériaux qui stockent les ions lithium (ions Li+) via des réactions de conversion (telles que MnO25, Co3O46, V2O57) ou des réactions d'alliage (telles que Si8, Sn1) ont été suggérés comme matériaux alternatifs prometteurs en raison de leur capacité spécifique intrinsèquement élevée. Cependant, les matériaux d'électrode LIB disponibles dans le commerce présentent un inconvénient en raison de la diffusivité intrinsèque des ions Li+ à l'état solide (environ 10−8 cm2 s−1), ce qui limite inévitablement les performances de charge/décharge9,10. De plus, ces matériaux subissent généralement un changement de volume important au cours de la lithiation et de la délithiation en raison de l’absorption de grands atomes de Li dans la structure et de la transformation de phase qui l’accompagne. Les approches permettant d'améliorer la cinétique de transport des ions/électrons et de s'adapter aux contraintes induites par le changement de volume dans les LIB comprennent le revêtement d'un matériau électrolytiquement actif avec une couche conductrice11,12,13. La conception de matériaux d'électrode avec des caractéristiques à l'échelle nanométrique est une méthode alternative utile, car les nanostructures peuvent aider à réduire la longueur de diffusion des ions Li+ pendant le processus de charge/décharge et à augmenter la zone de contact interfaciale entre l'électrode et l'électrolyte, conduisant ainsi à une densité de puissance spécifique considérablement améliorée et densité énergétique par rapport aux matériaux non nanostructurés14,15,16,17,18,19. Les matériaux à structure hiérarchique ayant au moins une dimension à l'échelle nanométrique (nananostructures hiérarchiques) peuvent combiner des propriétés de matériau en vrac souhaitables (telles que la stabilité structurelle et une densité après tassement élevée) avec des propriétés fonctionnelles ajustables en taille pour la construction de dispositifs de stockage d'énergie électrochimiques (LIB). et supercondensateurs)20,21.

L'oxyde de nickel (NiO), un oxyde de métal de transition de base enrichi en ressources naturelles et sans danger pour l'environnement, a été considéré comme l'un des matériaux d'électrode fascinés pour le stockage du lithium22,23,24,25. Les principaux défis liés à la mise en œuvre d'anodes à base de NiO sont leur faible conductivité électronique et leur changement de volume important lors de l'insertion et de l'extraction du lithium, comme mentionné ci-dessus. Pour résoudre ces problèmes, des oxydes métalliques binaires, tels que NiMn2O426 et NiCo2O427, ont également été proposés comme matériaux d'anode pour améliorer leurs performances électrochimiques. Dans ce cas, les oxydes métalliques binaires ont une conductivité électrique et des performances électrochimiques bien supérieures à celles des oxydes simples27,28. La conductivité électronique plus élevée est favorable au transfert rapide des électrons dans une électrode. Récemment, les vanadates de métaux de transition (MVxOy), qui sont apparentés au V2O5 avec des états d'oxydation réglables (V5+, V4+ et V3+), ont reçu une attention croissante pour des applications potentielles dans divers domaines en raison de leur structure en couches et de leurs propriétés physiques, chimiques et électriques uniques. ,29. La stabilité du cycle d'électrode des oxydes de vanadium purs a été grandement améliorée par l'ajout d'ions M (= Li, Fe, Cr ou Na) dans ces oxydes de vanadium hôtes, tels que LiV3O830, FeVO431, Cr0.11V2O5.1632, Na5V12O3233. Ces ions M supplémentaires ont été disposés pour former des piliers entre les couches d'oxyde de vanadium et ont ainsi stabilisé la structure lors de l'insertion/extraction de Li+33,34.