Na4Mn9O18/Carbon Nanotube-composiet als materiaal met hoge elektrochemische prestaties voor waterige natrium-ionbatterijen

Abstract

De waterige natrium-ionbatterij (ASIB) is een van de veelbelovende nieuwe energieopslagsystemen vanwege de overvloedige bronnen van natrium en de efficiëntie en veiligheid van elektrolyt. Hierin rapporteren we een ASIB-systeem met Na₄ Mn₉ O₁₈ /koolstof nanobuis (NMO/CNT) als kathode, metaal Zn als anode en een nieuwe Na⁺ /Zn²⁺ gemengd ion als elektrolyt. De NMO/CNT met microsferische structuur wordt bereid door een eenvoudige sproeidroogmethode. De voorbereide batterij levert een hoge omkeerbare specifieke capaciteit en stabiele cyclusbaarheid. Verder heeft de batterij een stabiele omkeerbare ontladingscapaciteit van 53,2 mAh g⁻¹ zelfs bij een hoge stroomsnelheid van 4 C na 150 cycli. Onze resultaten bevestigen dat de NMO/CNT-composiet een veelbelovend elektrode-kathodemateriaal is voor ASIB's.

Achtergrond

Lithium-ionbatterijen (LIB's) worden beschouwd als veelbelovende energiebronnen voor hun toepassingen in draagbare elektronische apparaten [1, 2]. In het bijzonder hebben verschillende waterige LIB-systemen steeds meer aandacht getrokken vanwege hun lage kosten, veiligheid en hoge snelheid [3]. In 1994 stelde de Dahn-groep voor het eerst een waterig LIB-systeem voor [4]. Sindsdien zijn veel elektrodematerialen zoals LiFePO₄ [5], LiMn₂ O₄ [6] en LiCoO₂ [7] zijn ontwikkeld. Desalniettemin richten de eerdere rapporten zich op de lithiummaterialen als anode. Lithium komt echter weinig voor in de aardkorst, wat de kosten zou kunnen verhogen en grootschalige implementatie zou kunnen beknotten [8].

De waterige natrium-ionbatterijen (ASIB's) hebben veel aandacht gekregen als vervangers voor waterige LIB's vanwege de goede chemische eigenschappen en lage prijzen van natrium. Momenteel zijn verschillende op natrium gebaseerde materialen zoals Na₃ V₂ (PO₄ )₃ [9], Na₂ FeP₂ O₇ [10], Na₂ CuFe(CN)₆ [11], en Na₄ Mn₉ O₁₈ zijn ontwikkeld als actieve materialen voor ASIB's [12]. Onder hen, Na₄ Mn₉ O₁₈ (NMO) met orthogonale structuur heeft twee soorten tunnels (S-type en O-type) gevormd door de MnO₆ octaëders en MnO₅ vierkante piramides. Twee natriumlocaties bezetten de grote S-type tunnels en één natriumlocatie bezet kleinere O-type tunnels [13]. Deze tunnels in NMO zijn bevorderlijk voor de overdracht van natriumionen. Echter, lage geleidbaarheid en enorme volume-expansie van de NMO tijdens de insertie/extractie van grote Na⁺ resulterend in de verpulvering van het actieve materiaal belemmeren de toepassing ervan als kathode in ASIB's. [14,15,16]. Daarom zijn er verschillende benaderingen ontwikkeld om de bovengenoemde problemen op te lossen. Een van de effectieve methoden is om te composiet met koolstofmaterialen met een grote geleidende en chemische stabiliteit die de volumeverandering kunnen bufferen en tegelijkertijd de elektrische geleidbaarheid van de elektrode kunnen verbeteren [17, 18]. Tegenwoordig worden nanogestructureerde koolstofmaterialen zoals poreuze koolstof [19], sferische koolstof [20], grafeen [21] en koolstofnanobuisjes [3, 22] veel gebruikt als dragers van actief materiaal. Onder de verschillende substraten zou koolstofnanobuis een geleidend skelet kunnen vormen, dat het transmissiepad van elektronen kan vergroten en de mechanische eigenschappen van het materiaal kan verbeteren [23]. Bovendien hebben de structuur van het kathodemateriaal, zoals deeltjesgrootte, microscopische morfologie en specifiek oppervlak een ernstige invloed op de elektrochemische prestaties van de batterij [24]. Vergeleken met onregelmatige poeders vertonen microsferische poeders met smalle grootteverdelingen geweldige elektrochemische eigenschappen vanwege hun hoge klopdichtheid. Sproeidrogen is een effectieve manier om fijne, uit meerdere componenten bestaande en homogene bolvormige poeders te synthetiseren [25]. De composietmonsters met microsferische structuur zoals LiFePO₄ /C en Li₄ Ti₅ O₁₂ /C [24, 26] zijn gesynthetiseerd door sproeidrogen en worden gebruikt in lithium-ionbatterijen, maar sproeidroogtechnieken worden zelden gebruikt in natriumionbatterijen.

In dit werk rapporteren we voor het eerst de voorbereiding van Na₄ Mn₉ O₁₈ /carbon nanotube (NMO/CNT) composiet met microsferische structuur via de sproeidroogmethode (Fig. 1). De ASIB's werden vervolgens geconstrueerd met NMO/CNT als kathode, nieuwe Na⁺ /Zn²⁺ gemengde ionen als elektrolyten en zinkmetaal als anode. In dit nieuwe batterijsysteem zijn de elektrochemische eigenschappen van het resulterende NMO/CNT-composiet als kathode onderzocht.

Het schematische diagram van NMO/CNT

Methoden

Materiaalvoorbereiding

De NMO/CNT composietprecursor werd eerst als volgt bereid:4,0 mg CNT waterige dispersie (9 gew.%, Timesnano, Chengdu) werd toegevoegd aan 30 ml 0,1 M KMnO₄ en 3,0 M NaOH waterige oplossing onder roeren. Daarna 30 ml 0,28 M MnSO₄ oplossing werd in de bovenstaande gemengde oplossing gedruppeld en de bruine neerslag werd plotseling geproduceerd. De resulterende precipitatie werd verkregen door middel van een centrifugale methode en liet men 24 uur staan om een nat-verouderd monster te vormen. Vervolgens werd 4 g nat gerijpt monster toegevoegd aan 100 ml 15 M NaOH-oplossing en 25 min geroerd om de donkerbruine suspensie te vormen. Ten slotte werd de suspensie 24 uur verwarmd op 180 ° C met behulp van een roestvrijstalen autoclaaf van 150 ml met een voering van teflon. De NMO/CNT-composietprecursor werd herhaaldelijk gewassen met gedeïoniseerd water en aan de lucht gedroogd bij 80 °C.

Om de NMO/CNT-composiet te bereiden, werd 0,6 g NMO/CNT-precursor toegevoegd aan 150 ml gedeïoniseerd water met ultrasonicatie gedurende 15 minuten om een bruine suspensie te vormen. De suspensie werd toegevoegd aan de sproeidroogmachine (HOLVES, Peking) met een peristaltische pomp van 6 ml min⁻¹ . Vervolgens werd het verneveld bij 205 ° C met een twee-vloeistofmondstuk met een verstuivingsdruk van 0,8 MPa en een uitlaattemperatuur van 110 ° C. Het verkregen poeder is de gewenste NMO/CNT-composiet met microsferische structuur. Het referentie-NMO-deeltje zonder CNT werd onder dezelfde omstandigheden bereid.

Materiaalkarakterisering

De röntgenpoederdiffractie (XRD) datum van de bereide monsters werd gemeten met een röntgendiffractie (XRD, D8 Discover, Bruker) waarbij gebruik werd gemaakt van Cu Ka-straling. Thermo-gravimetrische (TG, SDT Q-600, TA Instruments-Waters LLC) analyse werd uitgevoerd van 25 tot 1000 °C met een verwarmingssnelheid van 10 °C min⁻¹ onder lucht. Raman-spectroscopie werd uitgevoerd met behulp van een Jobin-Yvon T6400 Micro-Raman-systeem met een 532 nm argon-ionlaser. Scanning-elektronenmicroscopie (SEM)-analyse werd verzameld op een Hitachi Limited S-4800 scanning-elektronenmicroscoop. De inwendige structuur en geselecteerde gebiedselektronendiffractie (SAED) van monsters werden bestudeerd met behulp van een JEOL JEM-2800 transmissie-elektronenmicroscoop met hoge resolutie (HR-TEM) bij 160 kV. Het Mn-gehalte in de elektrolyt werd gemeten met inductieve gekoppelde plasma-optische emissiespectroscopie (ICP-OES, PRODIGY XP, LEEMON).

Elektrochemische metingen

Om de NMO/CNT-composietelektrode te bereiden, werd de slurry eerst bereid door te mengen met 80 gew.% als voorbereid monster, 10 gew.% acetyleenzwart en 10 gew.% polyvinylideenfluoride (PVDF) in N -methyl-2-pyrrolidon (NMP). De bovenstaande slurry werd gelijkmatig op een stroomcollector van koolstoffolie uitgespreid en 12 uur bij 75°C gedroogd. De bovenstaande koolstoffolie en Zn-metaalfolie werden gesneden in cirkelvormige schijven met een diameter van 15 mm als respectievelijk de kathode en anode. De oplossing met 1 M Na₂ SO₄ en 0,5 M ZnSO₄ met de pH =4 werd als elektrolyt gebruikt en geabsorbeerde glasmat (NSG Corporation) werd als separator aangebracht [27, 28]. 2025 muntbatterijen werden vóór elektrochemische tests in een luchtatmosfeer geassembleerd. De laad-/ontlaadcyclusprestaties zijn onderzocht op een batterijtestsysteem (Neware, Shenzhen) in het potentiële bereik van 1-1,85 V (vs. Zn²⁺ /Zn). Cyclische voltammetrie (CV's) werden uitgevoerd door het elektrochemische werkstation (Princeton, VersaSTAT 4) in het potentiaalbereik van 1-2 V (vs. Zn²⁺ /Zn). De elektrochemische impedantiespectroscopie (EIS) werd uitgevoerd met behulp van het elektrochemische werkstation (Princeton, VersaSTAT 4) in het frequentiebereik van 0,01-100 kHz.

Resultaten en discussie

De XRD-patronen van de NMO/CNT en NMO worden getoond in figuur 2a. Beide XRD-patronen komen goed overeen met de fase van NMO (JCPDS #27-0750) [29], waaruit blijkt dat hydrothermische en sproeidroogmethode een geldige route is om de Na₄ te synthetiseren. Mn₉ O₁₈ -gebaseerde materialen. Het XRD-patroon van NMO/CNT vertoont twee verbrede pieken bij ca. 26° en 44° in NMO/CNT-composiet, die geassocieerd zijn met respectievelijk de grafitische vlakken (004) en (102) van de CNT [30, 31], wat suggereert dat de NMO/CNT-composiet met succes is voorbereid.

een XRD-patronen van NMO/CNT en NMO. b Raman-spectrum van NMO/CNT en NMO. c TG-curves van het NMO/CNT-composiet bij een verwarmingssnelheid van 10 °C/min onder lucht

Figuur 2b toont de Raman-spectra van het NMO/CNT-composiet en het zuivere NMO-monster. De brede pieken van ongeveer 600–650 cm⁻¹ kan verband houden met rektrillingen van de Mn-O-band [23]. Het spectrum van de NMO/CNT vertoont twee brede en sterke pieken op ongeveer 1347 cm⁻¹ (D-band) en 1575 cm⁻¹ (G-band), overeenkomend met de grafietkoolstof in CNT [32, 33]. De Raman-resultaten bevestigen dat de bereide NMO/CNT bestaat uit zuivere CNT en kristallijne NMO-nanodeeltjes. Het werkelijke gehalte aan CNT in NMO/CNT-composiet werd gemeten met TG-analyse in luchtstroom. Zoals weergegeven in figuur 2c, wordt het eerste gewichtsverlies van de NMO/CNT onder 220 °C veroorzaakt door de verdamping van geadsorbeerde watermoleculen. Het volgende grote gewichtsverlies dat optreedt van 350 tot 500 °C houdt verband met de CNT-verbranding. Op basis van de TG-curve van het NMO/CNT-composiet wordt berekend dat het werkelijke NMO-gehalte in het composiet 87 gew.% is.

SEM en TEM werden gebruikt om de morfologie van de monsters te bepalen. Figuur 3a toont het SEM-beeld van de NMO/CNT-composiet waar uniforme microsferen met een diameter van ongeveer 5-7 μm kunnen worden waargenomen. Een van de bollen is vergroot in de inzet van figuur 3a, en verweven CNT kan worden waargenomen. De CNT-netwerken zijn erg belangrijk omdat ze NMO van de staafstructuur kunnen vastleggen. Afbeelding 3b toont een TEM-afbeelding van de NMO/CNT-composiet; duidelijker kan de verknopingstoestand van NMO / CNT worden waargenomen. De staafvormige NMO's met een diameter van ongeveer 30-50 nm worden samen gewikkeld door CNT dat de elektrische geleidbaarheid van het composiet kathodemateriaal kan verbeteren. Figuur 3c toont de roosterranden met een inter-randafstand van 0,45 en 0,33 nm, respectievelijk overeenkomend met (200) van NMO en (004) van CNT. Het SAED-patroon (figuur 3d) vertoont de eenkristalaard van NMO, wat wijst op een hoge kristalliniteit van NMO. En de homogene diffractieringen van CNT kunnen ook worden waargenomen aan de hand van het SAED-patroon, wat bevestigt dat de NMO met succes is samengesteld met CNT door een eenvoudige sproeidroogmethode.

De morfologie en structuur van de NMO/CNT. een SEM-afbeelding; b TEM-afbeelding; c HRTEM-beeld; d SAED-patroon

Afbeelding 4a toont de CV-curven van de cel met NMO/CNT-composiet als kathode met een san-snelheid van 0,1 mV s⁻¹ . De CV-curven laten twee reductiepieken zien rond 1,20 en 1,37 V (vs. Zn²⁺ /Zn) en één oxidatiepiek bij ongeveer 1,53 V (vs. Zn²⁺ /Zn) tijdens de eerste cyclus. De oxidatiepiek in de initiële cyclus vertoont één hogere piekstroom vergeleken met de rest van de scans/cycli, wat te wijten kan zijn aan initiële multi-atomaire faseovergangen om de spanning aan te passen wanneer het Na-ion werd geëxtraheerd uit de NMO/CNT-materialen, wat wijst op een zekere mate van onomkeerbaarheid in de eerste cyclus [34]. Voor de volgende cycli geven de gegevens twee hoofdredoxparen weer bij ongeveer 1,50/1,20 V en 1,62/1,37 V (vs. Zn²⁺ /Zn), respectievelijk. Ze worden geassocieerd met de de-insertie en insertie van Na-ionen van/in de orthorhombische kristalstructuur van NMO in de waterige elektrolyt. Tijdens het laadproces worden Na-ionen geëxtraheerd uit de NMO/CNT-kathode naar de elektrolyt, wat gepaard gaat met het vrijkomen van de elektronen terwijl Zn-ionen worden afgezet op het oppervlak van de zinkanode. Wanneer de batterij wordt ontladen, verliest het zink van de anode de elektronen en lost het op in de elektrolyt, terwijl bij de kathode de reactie wordt omgekeerd en Na-ionen in de kathode worden ingebracht om NMO/CNT te vormen [35]. Deze reacties kunnen als volgt worden weergegeven:

$$ {\displaystyle \begin{array}{l}\mathrm{anode}\ \mathrm{reactie}:{\mathrm{Zn}}^{2+}+2{\mathrm{e}}^{-} \iff \mathrm{Zn}\\ {}\mathrm{kathode}\ \mathrm{reactie}:{\mathrm{Na}}_4{\mathrm{Mn}}_9{\mathrm{O}}_{18} \iff {\mathrm{Na}}_{4-x}{\mathrm{Mn}}_9{\mathrm{O}}_{18}+x{\mathrm{Na}}^{+}+x{ \mathrm{e}}^{-}\\ {}\mathrm{total}\ \mathrm{reactie}:2{\mathrm{Na}}_4{\mathrm{Mn}}_9{\mathrm{O}} _{18}+x{\mathrm{Zn}}^{2+}\iff 2{\mathrm{Na}}_{4-x}{\mathrm{Mn}}_9{\mathrm{O}}_ {18}+2x{\mathrm{Na}}^{+}+x\mathrm{Zn}\end{array}} $$

Elektrochemische prestaties van NMO/CNT-elektrode. (a) CV-gedrag van NMO/CNT-elektrode bij een scansnelheid van 0,1 mV s⁻¹ . (b) Ontlaad-/laadspanningsprofielen van NMO/CNT-elektrode voor de 1e, 2e, 3e en 4e cyclus bij 4 C

De zwakke oxidatiepiek bij ongeveer 2 V (vs. Zn²⁺ /Zn) is gerelateerd aan de ontleding van water in de elektrolyt [27]. Met toenemende cycli hebben de potentialen van de redoxpiek de neiging stabiel te zijn. De symmetrische pieken tonen aan dat het Na-ion de-insertie/insertieproces als zeer omkeerbaar kan worden beschouwd. Er is gemeld dat voor de NMO-materialen het capaciteitsverlies het gevolg zal zijn van de continue oplossing van Mn²⁺ bij een disproportionele reactie van Mn³⁺ in Mn²⁺ en Mn⁴⁺ [29]. Om het effect van dit fenomeen in onze batterij te evalueren, werd het Mn-ionengehalte in de elektrolyt gemeten door ICP-OES. De concentratie van Mn-ionen in 25 ml elektrolyt in contact met 0,12 g actief materiaal werd gemeten onder verschillende zure omgevingen, zoals weergegeven in tabel 1.

De resultaten van dit experiment toonden aan dat het gehalte aan Mn-ionen afnam met de stijging van de pH. Daarom werd de pH van de elektrolyt ingesteld op 4 [36], wat de bovengenoemde disproportioneringsreactie remt en de Mn-oplossing vermindert.

De galvanostatische ontlading/lading werd uitgevoerd om het Na-opslagvermogen te meten. Uit de CV-curve hebben we geleerd dat de spanning minder dan 2 V moet zijn om de ontledingsreactie van water te voorkomen. Afbeelding 4b illustreert de ontladings-/oplaadcurves van de NMO/CNT-elektrode tijdens de eerste vier cycli bij 4 C in het potentiaalbereik van 1-1,85 V (vs. Zn²⁺ /Zn). In de eerste cyclus is de oplaadcapaciteit slechts 35,8 mAh g⁻¹ en een aanzienlijke bijbehorende ontladingscapaciteit is 85,6 mAh g⁻¹ . De coulombefficiëntie bij de initiële cyclus is dus 239,4%, veel groter dan 100%, wat te wijten is aan de ontbinding van interstitieel water en een laag gehalte aan Na-ion [37]. Na de eerste cyclus waren de potentiële plateaus goed onderhouden bij verder fietsen. Er zijn twee opvallende potentiële plateaus rond 1,37 en 1,2 V (vs. Zn²⁺ /Zn) in de ontladingscurves en twee plateaus bij ongeveer 1,50 en 1,62 V (vs. Zn²⁺ /Zn), wat overeenkomt met de 2e, 3e en 4e CV-cyclus.

Afbeelding 5a geeft de cyclusprestaties weer van NMO- en NMO/CNT-elektroden bij een snelheid van 4 C. Het is te zien dat de initiële ontladingscapaciteiten van NMO en NMO/CNT zo hoog zijn als 62,7 en 85,6 mAh g⁻¹ , respectievelijk. De capaciteiten van de twee verschillende elektroden daalden snel in de eerste paar cycli, wat verband houdt met de onomkeerbare reactie in de eerste cyclus. Vervolgens worden de capaciteiten van de elektroden gestabiliseerd voor de continue cycli. De coulombefficiëntie van de NMO/CNT-elektrode nadert geleidelijk 100% en blijft stabiel tijdens de volgende cycli. Voor de NMO/CNT-elektrode levert deze een omkeerbare capaciteit van 53,2 mAh g⁻¹ na 150 cycli, beter dan die van de NMO-elektrode (40 mAh g⁻¹ ). De hoge ontladingsspecifieke capaciteit kan voortvloeien uit de introductie van het elektronische transmissienetwerk van CNT, dat de overdracht van lading en de fase-evolutie bevordert. Bovendien zou de CNT stress en spanning op Na⁺ . kunnen bufferen ion de-insertie/insertie omdat ze flexibel zijn [23]. Bovendien kan de bolvormige structuur van de NMO/CNT zorgen voor de snelle diffusie van het Na-ion en elektrolyt. De verbetering van de elektrochemische prestatie van NMO/CNT kan ook worden toegeschreven aan het gebruik van een geschikte elektrolyt. Ter vergelijking werd een cel samengesteld met 1 M Na₂ SO₄ waterige oplossing als de elektrolyt. Deze cel leverde een omkeerbare ontladingscapaciteit van slechts ongeveer 24 mAh g⁻¹ na 150 cycli (Fig. 5b), d.w.z. de omkeerbare capaciteit van het systeem is aanzienlijk verminderd wanneer er geen ZnSO₄ is in de elektrolyt.

Fietsvoorstellingen om 4 C. a Vergelijking van fietsprestaties van NMO- en NMO/CNT-elektroden en coulombefficiëntie van NMO/CNT-elektrode. b Fietsprestaties en coulombefficiëntie van NMO/CNT-elektrode met 1 M Na₂ SO₄ elektrolyt. c Vergelijking van fietsprestaties van NMO/CNT-elektroden via respectievelijk de sproeidroogmethode en de kogelfreesmethode

Om een positief effect van de morfologie van de NMO/CNT-composiet op zijn elektrochemische prestaties te illustreren, werd niet-sferische NMO/CNT-composiet gesynthetiseerd via een eenvoudige kogelfreesmethode. NMO en CNT met een gewichtsverhouding van 87:13 werden gedurende 6 uur gemengd door kogelmalen bij 400 tpm om dit referentiecomposietmateriaal te verkrijgen. De elektrochemische prestatie van deze composiet wordt getoond in figuur 5c, samen met die van sferische NMO/CNT-composiet door sproeidrogen. Het is te zien dat niet-sferische NMO/CNT opmerkelijk lagere afvoercapaciteiten vertoont in vergelijking met de sferische tegenhanger, NMO/CNT-composiet door sproeidrogen. In figuur 5c werden de elektrochemische gegevens voor pure CNT opgenomen om de bijdrage ervan aan de celcapaciteit te evalueren. CNT levert een kleine omkeerbare capaciteit van 6,5 mAh g⁻¹ bij 4 C en draagt niet opmerkelijk bij aan de totale capaciteit, en de belangrijkste rol ervan is om de geleidbaarheid van het composiet te verhogen en de mechanische eigenschappen ervan te ondersteunen.

Om de snelheidsprestaties van de NMO/CNT-composiet te demonstreren, werden de snelheidscapaciteiten getest bij verschillende stroomdichtheden van 1 tot 4 C. Afbeelding 6 laat zien dat de NMO/CNT-composiet een omkeerbare ontladingscapaciteit levert van 96, 77, 66 en 58 mAh g⁻¹ bij de stroomsterkte van respectievelijk 1, 2, 3 en 4 C. Belangrijk is dat na de metingen met hoge stroomdichtheid, zodra de stroomdichtheid terugkeerde naar 1 C, de specifieke capaciteit bijna op hetzelfde niveau was teruggekeerd. Zoals te zien is, was de omkeerbare ontladingscapaciteit van de NMO bij elke stroomsnelheid lager dan die van de NMO/CNT, maar de elektrode hervond ook bijna zijn omkeerbare capaciteit 50 mAh g⁻¹ toen de snelheid terug werd gemoduleerd naar 1 C. Deze resultaten illustreren niet alleen dat de CNT van de NMO/CNT-composiet een verbeterde omkeerbare capaciteit heeft, maar geven ook aan dat het NMO-materiaal de hoge misbruiktolerantie heeft die uitstekende snelheidsprestaties kan vertonen. De uitstekende snelheidsprestaties van NMO- en NMO/CNT-composiet kunnen te wijten zijn aan de microsferische structuur die het massatransport van het Na-ion en elektrolyt kan verbeteren.

Beoordeel prestaties van NMO- en NMO/CNT-elektroden van 1 tot 4 C

Elektrochemische impedantiespectroscopie (EIS) van de NMO- en NMO/CNT-elektroden gemeten met het frequentiebereik van 10⁵ –0,01 Hz worden weergegeven in Fig. 7. De inzet van Fig. 7a is een eenvoudig equivalent circuitmodel dat wordt toegepast om in de EIS te passen. De R _S is de elektrolytweerstand van celcomponenten, R _CT is gerelateerd aan de ladingsoverdrachtsprocedure op het elektrode-elektrolyt-interface, Z _W is de Warburg-impedantie die geassocieerd is met natriumiondiffusie in de elektrode, en CPE is geassocieerd met de dubbellaagse capaciteit [38]. Zoals weergegeven in Fig. 7a, is de ladingsoverdrachtsweerstand (R _CT ) van de NMO/CNT-elektrode is 133 Ω, en de waarde is aanzienlijk kleiner dan die van NMO (207 Ω), wat aantoont dat de CNT gunstig is voor de verbetering van de elektrochemische prestaties van de NMO/CNT-elektrode. Bovendien neemt de weerstand van NMO / CNT geleidelijk toe met de voortgang van de cyclus, zoals weergegeven in figuur 7b, wat gerelateerd is aan de interne activering van de elektrode, wat overeenkomt met het fietsprestatiebeeld (figuur 5a). EIS-spectra van de 50e en 100e cycli zijn bijna identiek, wat suggereert dat de weerstanden relatief stabiel zijn naarmate de cyclus vordert.

(a) EIS-spectra van NMO- en NMO/CNT-elektroden bij de verscyclus en het equivalente circuitmodel van plotfitting (inzet ). (b) EIS-spectra van NMO/CNT-elektrode bij de verse cel, 10e, 50e en 100e cycli

Tabel 2 vergelijkt de prestatiegegevens die zijn gerapporteerd voor de Na_x MnO₂ -gebaseerde kathoden voor waterige natrium-ionbatterijen. Opgemerkt kan worden dat de NMO/CNT-elektrode die in dit werk is bereid, superieure elektrochemische prestaties vertoont in vergelijking met de gerapporteerde. Bij een hoge snelheid van 4 C levert de elektrode een verbeterde ontladingscapaciteit van 53,2 mAh g⁻¹ met het kleinere toegepaste potentiaalbereik (1-1,85 V). Deze resultaten geven aan dat de NMO/CNT-composiet een veelbelovende kathode is voor waterige natrium-ionbatterijen.

Conclusies

Samenvattend zijn de NMO/CNT-deeltjes met succes gesynthetiseerd door middel van een sproeidroogmethode. Daarnaast is een waterige natrium-ionbatterij ontwikkeld die metallisch Zn en NMO/CNT als respectievelijk de negatieve en positieve elektroden gebruikt. De NMO/CNT-elektrode heeft een grotere ontladingscapaciteit van 96 mAh g⁻¹ met een snelheid van 1 C en 53,2 mAh g⁻¹ bij 4 ° C, zelfs na 150 volledige cycli in vergelijking met de NMO-elektrode. De superieure elektrochemische prestaties van de NMO/CNT-composiet kunnen voortkomen uit hun bolvormige structuur die voor snel transport kan zorgen en de toevoeging van CNT die de geleidbaarheid van de composiet kan verbeteren. Over het algemeen is de NMO/CNT een veelbelovend kathodemateriaal voor de veilige en efficiënte ASIB's.

Afkortingen

ASIB's:: Waterige natrium-ionbatterijen
CV:: Cyclische voltammetrie
EIS:: Elektrochemische impedantiespectroscopie
HR-TEM:: Transmissie-elektronenmicroscoop met hoge resolutie
LIB's:: Lithium-ionbatterijen
NMO:: Na₄ Mn₉ O₁₈
NMO/CNT:: Na₄ Mn₉ O₁₈ /koolstof nanobuis
NMP:: N -methyl-2-pyrrolidon
PVDF:: Polyvinylideenfluoride
SAED:: Geselecteerd gebied elektronendiffractie
SEM:: Scanning elektronenmicroscopie
TG:: Thermo-gravimetrisch
XRD:: Röntgenpoederdiffractie

Synthese en in vitro prestaties van met polypyrrool gecoate ijzer-platina nanodeeltjes voor fotothermische therapie en foto-akoestische beeldvorming Vastestofverwarmingssynthese van poly (3,4-ethyleendioxythiofeen)/goud/grafeencomposiet en de toepassing ervan voor Amperometrische bepaling van nitriet en jodaat

Nanomaterialen

Metaal

Hars

vezel

Samengesteld materiaal