Zee-egel Vormige NiCo₂O₄ via Lading-Gedreven Zelf-Assemblage voor Superieure Li-Ion Batterij Prestaties

Samenvatting

In deze studie werd hydrothermale synthese van zee-egel-achtige NiCo₂O₄ met succes gedemonstreerd door een veelzijdige lading-gedreven zelf-assemblage strategie met behulp van positief geladen poly(diallyldimethylammonium chloride) (PDDA) moleculen. Fysieke karakterisaties impliceerden dat zee-egel-achtige microspheren van ~ 2,5 µm in grootte gevormd werden door zelf-assemblage van talloze nanonaldjes met een typische dimensie van ~ 100 nm in diameter. Electrochemische prestatiestudie bevestigde dat zee-egel-achtige NiCo₂O₄ een hoge herstelbare capaciteit van 663 mAh g⁻¹ vertoonde na 100 cycli bij stroomdichtheid van 100 mA g⁻¹. Snelheidsvermogen gaf aan dat gemiddelde capaciteiten van 1085, 1048, 926, 642, 261, en 86 mAh g⁻¹ bereikt konden worden bij 100, 200, 500, 1000, 2000, en 3000 mA g⁻¹, respectievelijk. De uitstekende electrochemische prestaties werden toegeschreven aan de unieke micro/nanostructuur van zee-egel-achtige NiCo₂O₄, afgestemd door positief geladen PDDA moleculen. De voorgestelde strategie heeft grote potentiële in de ontwikkeling van binaire overgangsmetaaloxiden met micro/nanostructuren voor electrochemische energie-opslag toepassingen.

Inleiding

Spinel nikkel kobaltiet (NiCo₂O₄) is een van de belangrijkste binaire overgangsmetaaloxiden (TMOs) met brede toepassingen in elektro-katalytische watersplitsing, supercondensators en herlaadbare batterijmaterialen, etc. Vooral spinel NiCo₂O₄, met een theoretische specifieke capaciteit (890 mAh g⁻¹), kan gebruikt worden als veelbelovende hoge-capaciteit anodematerialen voor electrochemische lithiumopslag, dankzij de hogere elektrische geleidbaarheid en electrochemische activiteiten dan monometallische oxiden (Co₃O₄ en NiO). Echter, lithiumopslagprestaties van NiCo₂O₄ waren sterk afhankelijk van de distincte structuur en morfologie, die significante effecten hadden op cyclische stabiliteit en snelheidsvermogen.

In recente jaren zijn diverse NiCo₂O₄ met interessante morfologieën gesynthetiseerd, waaronder nanodraden, nanosheets, nanoflakes, nanoriemen, zee-egel-achtige, en bloem-achtige structuren, door hydrothermale en solvothermale methoden. Eerdere studies suggereerden dat micro/nanostructuren dubbele voordelen bieden van microschaal en nanoschaal dimensies voor verbeterde elektronen- en iontransport, wat leidt tot superieure electrochemische prestaties. Over het algemeen werd structuurontwerp van NiCo₂O₄ met micro/nanostructuren gestuurd door het kiezen van geschikte morfologie-controle reagentia. Zhang et al. gebruikten polyvinylpyrrolidone (PVP) om NiCo₂O₄ te synthetiseren voor morfologiecontrole, gebaseerd op coördinatie van metaalionen met functionele groepen (bijv. -N en/of C=O) van pyrrolidon. Echter, beperkte effectieve structuursturende reagentia zijn haalbaar voor synthese van binaire TMOs met unieke morfologie. Dus is het zeer wenselijk om veelzijdige reagentia te verkennen voor het synthetiseren van NiCo₂O₄ met micro/nanostructuren. Recent rapporteerden we positief geladen reagentia, zoals diallyldimethylammonium chloride (DDA) en de homopolymers, potentiële in het synthetiseren van Co₃O₄ voor lithium-ion batterijen (LIBs). Echter, ons is geen binaire TMOs (bijv. NiCo₂O₄) met micro/nanostructuren bekend gesynthetiseerd door dergelijke geladen moleculen voor electrochemische lithiumopslag toepassingen.

Hier rapporteren we lading-gedreven zelf-assemblage strategie voor NiCo₂O₄ met zee-egel-achtige structuur, gevolgd door thermische behandeling. De positief geladen poly(diallyldimethylammonium chloride) (PDDA) moleculen werden beschouwd als een cruciale structuursturende reagent in hydrothermale synthese. Zee-egel-achtige NiCo₂O₄ met micro/nanostructuren demonstreerden ook superieure lithiumopslagprestaties in herhaalde opladen-ontladen cycli. Duidelijk is dit het eerste werk over lading-gedreven zelf-assemblage synthese van binaire TMOs met hulp van geladen organische moleculen. Deze nieuwe strategie wordt verwacht een nieuwe weg te banen voor het synthetiseren van binaire TMOs met nieuwe micro/nanostructuren voor energie-opslag materialen.

Methoden

Synthese van Zee-egel-achtige NiCo₂O₄

In een typische synthese, werden 0,5 g nikkelacetaat tetrahydraat (≥ 99%), 1,0 g kobaltacetaat tetrahydraat (≥ 98%), en 3,0 g ureum (99,5%) ontvangen van Acros Organics opgelost in 55 mL gedioniseerd water, gevolgd door toevoeging van 5 g PDDA oplossing (20 gew% in H₂O, Sigma-Aldrich). Het gemengde mengsel werd zorgvuldig overgebracht in een afgedichte Teflon-gevoerde roestvrij staal autoklaaf en in een elektrische oven gehouden bij 120 °C gedurende 2 uur. De resulterende neerslag werd verzameld door vacuüm-geassisteerde filtratie en drie keer gewassen met gedioniseerd water. Ten slotte werd het gefilterde monster thermisch behandeld in een muffeloven bij 450 °C gedurende 2 uur. De als-gesynthetiseerde zwarte monsters werden direct gebruikt in materiaalkarakterisaties en electrochemische prestatie-evaluatie.

Materiaal Karakterisaties en Electrochemische Prestatie Evaluatie

Kristalfasen, materialemorfologieën, microstructuren, en valentietoestanden van de als-geprepareerde monsters werden gekarakteriseerd door poeder Röntgendiffractometer (XRD, Philips PW1830), veldemissie scanning elektronenmicroscoop (FE-SEM, Hitachi S4800), transmissie elektronenmicroscoop (TEM, FEI Tecnai G² 20 scanning), en Röntgen fotoelektron spectroscopie (XPS, Model PHI5600), respectievelijk. Thermische conversiestudie van precursoren werd uitgevoerd op thermogravimetrische analyse (TGA, Mettler Toledo) en differentiële scanning calorimetrie (DSC, Mettler Toledo) onder zuurstofatmosfeer. Bovendien werden specifieke oppervlakte en poriegrootteverdelingen van NiCo₂O₄ uitgevoerd op een oppervlakte analyzer (Quantachrome Instruments) door N₂ adsorptie-desorptie isothermen bij 77 K. De specifieke oppervlakte en poriegrootteverdeling werden verkregen door multipunt Brunauer-Emmett-Teller (BET) en Barrett-Joyner-Halenda (BJH) methode, respectievelijk. Electrochemische lithiumopslagprestaties en snelheidsvermogen werden geëvalueerd in CR2025 munt-type cel met NiCo₂O₄ als werkelektrode, lithiummetaal als tegenelektrode, microporeus membraan (Celgard® 2400) als scheider, en 1 M LiPF₆ in 50 vol% ethyleencarbonaat en 50 vol% dimethylcarbonaat als elektrolyt. De werkelektrode bestond uit 80% actieve NiCo₂O₄ materialen, 10% PVdF binder, en 10% SuperP geleidende koolstof. Cyclische voltammetrie (CV) analyse werd gemeten in het spanningsbereik van 0,005-3 V vs. Li⁺/Li en electrochemische impedantie spectren (EIS) van zee-egel-achtige NiCo₂O₄ anoden werden ook vastgelegd op electrochemisch station (CorrTest® Instruments) in het frequentiebereik van 100 kHz tot 0,01 Hz met een amplitude van 5 mV. Galvanostatische opladen-ontladen test werd uitgevoerd op een batterij testsysteem (LAND CT2001A) bij kamertemperatuur. De cyclische prestaties werden uitgevoerd bij een stroomdichtheid van 100 mA g⁻¹ gedurende 100 cycli en snelheidsvermogen test werd uitgevoerd met diverse stroomdichtheden variërend van 100 mA g⁻¹ tot 3000 mA g⁻¹.

Resultaten en Discussie

XRD patroon in Fig. 1a suggereerde dat het als-geprepareerde product gezichts-gemiddelde-kubische NiCo₂O₄ was van hoge kristallijnheid en zuiverheid (PDF 02-1074). De 2θ pieken gelegen bij 31,1°, 36,6°, 44,6°, 55,3°, 59,0°, 64,7° werden toegewezen aan karakteristieke kristalvlakken (2 2 0), (3 1 1), (4 0 0), (4 2 2), (5 1 1), en (4 4 0), respectievelijk. Bovendien bestonden kristalfasen in de als-geprepareerde precursoren uit Ni₂CO₃(OH)₂ (PDF 35-0501), en Co(CO₃)₀,₅(OH)·0,11H₂O (PDF 48-0083), consistent met eerdere studie. De 2θ pieken bij 12,1°, 24,3°, 30,5°, 34,8°, en 59,8° konden gerelateerd zijn aan Ni₂CO₃(OH)₂ kristalvlak (1 1 0), (1 3 0), (− 1 0 1), (− 2 0 1), en (0 0 2) respectievelijk. De 2θ pieken bij 17,5°, 33,8°, 39,5°, en 47,3° konden toegeschreven worden aan Co(CO₃)₀,₅(OH)·0,11H₂O kristalvlak (0 2 0), (2 2 1), (2 3 1), en (3 4 0), respectievelijk. Blijkbaar werden zowel Ni²⁺ als Co²⁺ geprecipiteerd door CO₃²⁻ en OH⁻ ionen, vrijgegeven uit de decompositie van ureum bij hydrothermale condities. TGA kurve in Fig. 1b toonde dat calcinatietemperatuur van 450 °C voldoende was voor thermische conversie van de gemengde fasen zuivere NiCo₂O₄, aangezien geen massa verlies werd waargenomen na 450 °C. Ook werd de conversietemperatuur bepaald op 350 °C, leidend tot een totale massa verlies van 37 gew%.

Morfologische analyse in Fig. 2a, b impliceerde dat zee-egel-achtige structuur van precursoren met succes verkregen werd met PDDA-geassisteerde hydrothermale behandeling. Na thermische behandeling bij 450 °C, kon zee-egel-achtige morfologie van NiCo₂O₄ microspheren nog steeds behouden blijven, wat de robuuste aard bij hoge temperatuur aangeeft. De NiCo₂O₄ microspheren waren typisch ~ 2,5 µm in diameter, samengesteld uit talloze nanonaldjes met een gemiddelde diameter van ~ 100 nm. Let op dat PDDA moleculen een cruciale rol spelen in de vorming van zee-egel-achtige structuur. Aan het begin, initieerde de decompositie van ureum leidend tot generatie van CO₃²⁻ en OH⁻ de nucleatie van Co²⁺ en Ni²⁺ bij hydrothermale condities. De stikstofatomen in PDDA voorzien van vrije elektronenparen mogelijk maakten sterke elektrostatische interactie met negatieve ionen. Daarom werd het oppervlak van deze kleine kernen eerst bezet door deze negatieve ionen (CO₃²⁻ en OH⁻), leidend tot elektrostatische adsorptie van positief geladen moleculen. Vanwege sterische hinder, leidde PDDA tot de kristalgroei van precursoren langs een preferentiële richting. Om de oppervlakte-energie te minimaliseren, vindt zelf-assemblage van nanostructuren via een spontane Ostwald rijping proces uiteindelijk plaats, resulterend in de vorming van zee-egel-achtige structuur.

De effecten van PDDA hoeveelheden op de morfologie van precursoren werden ook onderzocht met FE-SEM karakterisatie. Zoals getoond in Fig. 3, toen PDDA oplossing van 2,5 g werd toegevoegd in de hydrothermale synthese, vertoonde het als-geprepareerde precursor monster dezelfde spherische structuur van 2-5 µm in diameter. Veel nanonaldjes, beschouwd als de bouwstenen, waren willekeurig georganiseerd in de grote micro/nanogestructureerde spheren. Toen PDDA hoeveelheid verder verhoogd werd tot 10 g, konden zowel zee-egel-achtige als stro-hoop-achtige structuren duidelijk gevonden worden in de hydrothermale precursoren. De effecten van PDDA op kristaloriëntatie zouden geassocieerd moeten zijn met de oppervlakteladingseigenschap van kleine kernen, wat aangepast kon worden door de hoeveelheden positief geladen PDDA moleculen. Dus, PDDA oplossing van 5 g, wat equivalent was aan een concentratie van 16,7 mg L⁻¹, was de optimale condities voor het synthetiseren van zee-egel-achtige structuur, vanwege de preferentiële kristalgroei oriëntatie.

De microstructuren van microspheren geanalyseerd door TEM onthulden dat hoog poreuze structuren in NiCo₂O₄ werd aangegeven door de duidelijke wit/zwart contrast en hoge kristallijnheid overtuigd door de duidelijke roostervlakken (Fig. 4a, b). De gemiddelde grootte van primaire deeltjes was ongeveer 10 nm. De d-spacing waarden van ~ 0,20 nm en ~ 0,25 nm werden toegeschreven aan kristalvlak (400) en (311), respectievelijk. Bovendien was de poriegrootte ongeveer 10 nm gemiddeld. De bovenstaande analyse bevestigde dat zee-egel-achtige NiCo₂O₄ met succes gesynthetiseerd waren door lading-gedreven zelf-assemblage strategie met daaropvolgende thermische behandeling.

Op basis van N₂ adsorptie-desorptie isotherm, waren BET-specifieke oppervlakte en BJH poriegrootteverdeling van NiCo₂O₄ monster ongeveer 68,6 m² g⁻¹ en 8,8 nm, respectievelijk (Fig. 5). De hoge oppervlakte en uniforme poriegrootte waren gunstig voor het verkorten van iondiffusielengte en het verlichten van volume-uitdijging in electrochemische processen. Het overzichtsspectrum in Fig. 6a toonde de aanwezigheid van Ni, Co, O, en C in het product. De hoge-resolutie XPS data van Co2p in Fig. 6b gaf aan dat co-existentie van Co²⁺ en Co³⁺ soorten, zoals onthuld door de passende Co2p₃/₂ pieken gelegen bij ~ 779,5 eV en ~ 781,3 eV, respectievelijk. Op dezelfde wijze impliceerden hoge-resolutie XPS data van Ni 2p in Fig. 6c de aanwezigheid van Ni²⁺ en Ni³⁺, zoals gesuggereerd door de passende Ni2p₃/₂ pieken gecentreerd op ongeveer ~ 854,6 eV en ~ 856,2 eV, respectievelijk. De aanwezigheid van satelietpieken bevestigde ook de aanwezigheid van Co²⁺ en Ni²⁺. Let op dat de piekscheidingen voor Co2p₁/₂ vs Co2p₃/₂ en Ni2p₁/₂ vs Ni2p₃/₂ bepaald werden op 15,2 en 17,3 eV, consistent met eerdere studies. Meervoudige valentietoestanden van Co (+2, +3) en Ni (+2, +3) in spinel NiCo₂O₄ waren gunstig voor electrochemische conversiereacties in oplaad-ontlaad processen.

Het electrochemische conversiemechanisme en herstelbaarheid van zee-egel-achtige NiCo₂O₄ werd onderzocht met CV analyse. Zoals getoond in Fig. 7, in de eerste cyclus, gaven twee duidelijke kathodische pieken gelegen bij ongeveer 0,8 V en 1,3 V de electrochemische reductie van Co³⁺ tot Co²⁺, en dan reductie van Co²⁺ en Ni²⁺ tot metallische Co en Ni soorten, respectievelijk aan. Voor het eerste anodische proces, zou electrochemische oxidatie van metallische Co en Ni bij ongeveer 1,4 en 2,2 V leiden tot de herstelbare generatie van Co²⁺, Co³⁺, en Ni²⁺ soorten, wat uiteindelijk resulteerde in de vorming van NiCo₂O₄ fase. Het is ook mogelijk dat vast elektrolyt interphase werd gevormd in de eerste activeringscyclus. Duidelijk, na het activeringsproces in de eerste cyclus, kon goede herstelbaarheid van electrochemische redoxreacties waargenomen worden in de daaropvolgende twee cycli, zoals aangegeven door de overlappende CV kurven. Het enige verschil was dat de belangrijkste reductiepiek verschoven was van 0,8 naar 1,0 V, consistent met eerdere CV studie op NiCo₂O₄ anoden. Het gedetailleerde mechanisme van electrochemische conversiereacties werd ook besproken in eerdere studies en kan als volgt beschreven worden.

NiCo₂O₄ + 8 Li⁺ + 8 e⁻ ↔ 2 Co + Ni + 4 Li₂O (1)
Ni + Li₂O ↔ NiO + 2 Li⁺ + 2 e⁻ (2)
Co + Li₂O ↔ CoO + 2 Li⁺ + 2 e⁻ (3)
CoO + 1/3 Li₂O ↔ 1/3 Co₃O₄ + 2/3 Li⁺ + 2/3 e⁻ (4)

Electrochemische cyclische prestaties van NiCo₂O₄ monster werd gegeven in Fig. 8a en het resultaat gaf aan dat een herstelbare capaciteit van 663 mAh g⁻¹ bereikt werd bij een stroomdichtheid van 100 mA g⁻¹ na 100 oplaad-ontlaad cycli. De cyclische prestaties waren ook vergelijkbaar met eerdere studie op zuivere NiCo₂O₄ materiaal. Bijvoorbeeld, electrochemische lithiumopslag van hiërarchische NiCo₂O₄ nanodraad array was ongeveer 413 mAh g⁻¹ bij evaluatie bij 100 mA g⁻¹ over 100 cycli. Echter, wanneer NiCo₂O₄ gemodificeerd was met hoog geleidende additieven of metaaloxiden, kon betere electrochemische prestatie bereikt worden in vergelijking met zuivere NiCo₂O₄. Bijvoorbeeld, Chen et al. rapporteerden cyclische stabiliteit van zuivere NiCoO₂ significant verbeterd door gereduceerde grafeneoxide en een hoge herstelbare capaciteit van 816 mAh g⁻¹ bereikt met 80,1% capaciteitsbehoud. Ook rapporteerden Sun et al. de cyclische prestaties van poreuze NiCoO₂/NiO holle dodecaëder was ongeveer 1535 mAh g⁻¹ bij 200 mA g⁻¹ over 100 cycli, equivalent aan een capaciteitsbehoud van 97,2%. De Coulomb-efficiënties na de initiële activering waren bijna gestabiliseerd op ~ 100%, wat hoge electrochemische herstelbaarheid aangeeft. Zoals getoond in Fig. 8b, toonden de oplaad-ontlaad kurven bij verschillende cycli ook duidelijke gedragingen. Met herhaalde oplaad-ontlaad cycli, is het duidelijk dat oplaad-ontlaad kurven van de 50ste cyclus ook identiek waren met de initiële cycli, wat gelijke electrochemische reactiepaden in de eerste 50 cycli aangeeft. Echter, de oplaad-ontlaad kurven van de 100ste cyclus toonden iets andere gedragingen, wat suggereert dat langzame materiaalafbraak aanwezig kan zijn tijdens de anodische conversiereacties. Bovendien toonde snelheidsvermogen in Fig. 8c dat de gemiddelde ontladingscapaciteiten van NiCo₂O₄ gemeten bij stroomdichtheden 100, 200, 500, 1000, 2000, en 3000 mA g⁻¹ ongeveer 1085, 1048, 926, 642, 261, en 86 mAh g⁻¹ waren, respectievelijk. Wanneer stroomdichtheid werd geschakeld naar 100 mA g⁻¹, werd een hoge herstelbare capaciteit van ongeveer 1000 mAh g⁻¹ nog steeds gehandhaafd, wat aangeeft dat geen duidelijke afname van herstelbare capaciteit in snelheidsvermogen test. Let op dat de experimentele specifieke capaciteit van 1085 mAh g⁻¹ bereikt bij 100 mA g⁻¹ hoger was dan theoretische waarde (890 mAh g⁻¹). Dit fenomeen werd algemeen waargenomen in overgangsmetaaloxide anoden. De extra capaciteit zou toegeschreven kunnen worden aan herstelbare vorming van gel-achtige polymere films en interfaciale lithiumopslag, etc. In Fig. 8d, de typische oplaad-ontlaad kurven bij verschillende stroomdichtheden suggereerden ook dat de specifieke capaciteit significant afnam met de toename van oplaad-ontlaad stroomdichtheden van 100 tot 3000 mA g⁻¹. De electrochemische prestaties bereikt in deze studie waren beter of vergelijkbaar met eerdere studies op NiCo₂O₄-gebaseerde materialen. Bijvoorbeeld, Chen et al. rapporteerden mesoporöse NiCo₂O₄ nanodraden leverden herstelbare capaciteiten van 1215, 797, en 413 mAh g⁻¹ bij stroomdichtheden van 200, 500, en 1000 mA g⁻¹, respectievelijk. Het bereikte snelheidsvermogen van NiCo₂O₄ in deze studie was ook vergelijkbaar met eerdere werk op andere overgangsmetaaloxiden. Bijvoorbeeld, Lyu et al. rapporteerden dat herstelbare capaciteiten van holle CuO bij geëvalueerde stroomdichtheden van 100, 200, 500, en 1000 mA g⁻¹ 629, 567, 488, en 421 mAh g⁻¹ waren, respectievelijk. Het moet vermeld worden dat de snelheidsprestaties van zee-egel-achtige NiCo₂O₄ niet stabiel was, met name bij hoge stroomdichtheden. Dit fenomeen was waarschijnlijk te wijten aan halfgeleiderachtige aard van zuivere NiCoO₂ en vernietiging van bouwsteen (nanonaldjes) door hoge stroomdichtheid. Vergelijkbaar waren de C-rate prestaties van spherische NiCo₂O₄ en NiCo₂O₄ nanoriemen ook onstabiel in eerdere studies, toen oplaad-ontlaad stroomdichtheid werd veranderd naar ≥ 1000 mA g⁻¹.

Let op dat fluctuaties van coulomb-efficiëntie ook waargenomen werden in de C-rate meting, met name bij de wisselpunten van stroomdichtheden. Bijvoorbeeld, toen de stroomdichtheid werd geschakeld van 1000 naar 2000 mA g⁻¹, daalde de coulomb-efficiëntie van de 40ste cyclus plotseling van 100 naar ongeveer 80%. In de daaropvolgende 9 cycli, werd de coulomb-efficiëntie onmiddellijk gestabiliseerd op ongeveer 100%. De plotselinge daling van coulomb-efficiëntie zou gerelateerd kunnen zijn aan het gedeeltelijke verlies van elektrische connectiviteit tussen NiCo₂O₄ materialen en geleidend netwerk door volumevariatie in het oplaadproces, door de toegepaste hoge stroomdichtheid. Vergelijkbare fenomenen werden ook gerapporteerd in eerdere C-rate studies op anodematerialen voor herlaadbare batterijen.

Om de aard van NiCo₂O₄ anoden te begrijpen, werd EIS analyse uitgevoerd in het frequentiebereik van 100 kHz tot 0,01 Hz met een amplitude van 5 mV. EIS werd breed toegepast als een nuttig hulpmiddel om electrochemische gedragingen en ladingsoverdrachtsproces onthullen. Voor NiCo₂O₄ anoden getest met verschillende cycli, onthulden EIS spectra in Fig. 9 kleine halve cirkels en rechte lijnen in de hoge en lage frequentie regio's, respectievelijk. De kleine halve cirkels zouden gerelateerd moeten zijn aan ladingsoverdrachtsweerstand tussen elektrode en elektrolyt. De rechte lijnen gaven de Warburg impedantie aan, wat geassocieerd zou moeten zijn met vaste-stof diffusie van Li⁺ in NiCo₂O₄ elektroden. De ladingsoverdrachtsweerstanden van verse NiCo₂O₄ elektrode voor en na 5 cycli waren bijna identiek, wat aangeeft dat geen duidelijke verandering in elektrode/elektrolyt interface. Echter, na 10 cycli, werd ladingsoverdrachtsweerstand dominant in electrochemische processen, zoals aangegeven door een grotere diameter van halve cirkel. Bovendien suggereerden de bijna parallelle lijnen dezelfde vaste-stof Li⁺ diffusiegedragingen voor en na cycli tests. Daarom kon ladingsoverdrachtsweerstand van NiCo₂O₄ anoden een relatief belangrijke rol spelen in de electrochemische prestaties.

In deze studie zou de verbeterde prestaties van NiCo₂O₄ toegeschreven moeten worden aan de micro/nanostructuren van zee-egel-achtige morfologie, vergeleken met eerdere werk op nanostructuren (bijv. mesoporöse nanodraden). Basis was de lithiumopslagprestaties geassocieerd met efficiënt transport van lithiumionen en elektronen in electrochemische oplaad-ontlaad cycli. De talloze nanonaldjes, gezien als de bouweenheid van zee-egel-achtige structuur, konden de vaste-stof Li⁺ diffusiegedragingen aanzienlijk verbeteren, door de verkorte nanoschaal lengte. Bovendien konden de uniforme microspheren, beschouwd als de secundaire deeltjes van zee-egel-achtige structuur, de elektronen transportgedragingen aanzienlijk verbeteren, dankzij lang-reikwijdte elektronen transportnetwerk. De gecombineerde voordelen van micro/nanostructuren in zee-egel-achtige structuur konden resulteren in betere electrochemische prestaties dan nanostructuren. Over het algemeen werd de superieure electrochemische prestaties van NiCo₂O₄ toegeschreven aan de unieke fysieke eigenschappen van zee-egel-achtige structuur, die afgestemd werden door PDDA-geassisteerde lading-gedreven zelf-assemblage strategie. Deze voorgestelde strategie heeft potentieel in eenvoudige synthese van energie-opslag materialen voor next generation LIBs.

Conclusies

Concluderend, zee-egel-achtige NiCo₂O₄ werden met succes gesynthetiseerd door lading-gedreven zelf-assemblage strategie met positief geladen PDDA, gevolgd door thermische behandeling. De geladen moleculen spelen een cruciale rol in de vorming van zee-egel-achtige structuur, door elektrostatische adsorptie en sterische hinder. Ook demonstreerden zee-egel-achtige NiCo₂O₄ grote potentieel in electrochemische lithiumopslag. De superieure prestaties werden toegeschreven aan de unieke zee-egel-achtige structuur van NiCo₂O₄ voor verbeterde elektronen- en iontransport. Over het algemeen is lading-gedreven zelf-assemblage strategie een aantrekkelijke route om energie-opslag materialen te synthetiseren voor hoge-prestatie lithium-ion batterijen.

Afkortingen

BET:

Brunauer-Emmett-Teller

BJH:

Barrett-Joyner-Halenda

CV:

Cyclische voltammetrie

DSC:

Differentiele scanning calorimetrie

EIS:

Electrochemische impedantie spectren

FE-SEM:

Veldemissie scanning elektronenmicroscoop

LIBs:

Lithium-ion batterijen

PDDA:

Poly(diallyldimethylammonium chloride)

TGA:

Thermogravimetrische analyse

TMOs:

Overgangsmetaaloxiden

XPS:

Röntgen fotoelektron spectroscopie

XRD:

Röntgendiffractometer