Co3O4 나노와이어의 친환경적이고 손쉬운 합성과 리튬 이온 배터리에서 그래핀을 사용한 유망한 응용

초록

이 작업에서 우리는 Co₃를 준비하기 위한 친환경 전략을 개발했습니다. O₄ 나노와이어. 이 과정은 두 단계로 구성되어 있다:금속 코발트 나노와이어의 제어 가능한 합성과 손쉬운 공기 산화 단계. 높은 종횡비를 갖는 1D 나노와이어 구조는 환원 동안 코발트 이온 복합체의 자기장 보조 자가 조립을 통해 쉽게 달성되었습니다. 공기 하소 후 Co₃ O₄ 나노와이어를 대규모로 준비하여 리튬이온 배터리의 음극재로 사용할 준비가 되었습니다. 공동₃ O₄ 길이가 3~8μm이고 종횡비가 15 이상인 나노와이어는 소량의 무결함 그래핀 플레이크를 전도성 첨가제로 사용할 때 최대 ~ 90mAh/g의 가역 리튬 저장 용량을 나타냈습니다. 우수한 전기화학적 성능은 1D 나노와이어와 2D 그래핀 사이의 상승적인 "평면 온(flat-on)" 효과에 기인합니다. 따라서 Co₃ O₄ 나노와이어/그래핀 합성물은 리튬 이온 배터리에 대한 유망한 응용 분야를 보유하고 있습니다.

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배경

깨끗하고 지속 가능한 에너지 전략에 대한 수요가 빠르게 증가함에 따라 전기 에너지 저장 장치는 전기 자동차 및 휴대용 전자 장치와 같은 많은 응용 분야에서 시급히 필요합니다. 리튬 이온 배터리(LIB)는 비교적 높은 에너지 밀도를 제공할 수 있으며 긴 수명, 저렴한 비용 및 우수한 가역성과 같은 여러 이점을 제공합니다. 전이 금속 산화물은 풍부하고 저렴한 비용과 높은 이론 용량으로 인해 LIB에 대한 유망한 양극으로 간주되어 왔으며 [1, 2], 그 중 코발트 산화물(Co₃ O₄ )는 높은 이론 용량(890mAh/g)으로 인해 많은 관심을 받았습니다[2,3,4]. 그러나 본질적으로 낮은 전도도, 큰 부피 및 사이클링 동안의 변화, 뿐만 아니라 Co₃의 낮은 이용 계수 O₄ , 열악한 전기화학적 성능으로 이어져 실제 적용을 방해합니다[5, 6].

최근 몇 년 동안, 나노과학 및 나노기술의 발전은 LIB, 특히 1D 나노구조(예:나노와이어, 나노벨트, 나노섬유)의 성능을 더욱 향상시킬 수 있는 혁신적인 기회를 가져오고 있습니다. 그들은 높은 표면적, 짧은 이온/전기 수송 경로, 충/방전 동안 부피 팽창을 수용할 수 있는 우수한 능력을 포함하는 그들의 특별한 전기화학적 특성으로 인해 많은 주목을 받았습니다[5, 7,8,9,10].

Co₃와 같은 이러한 1D 나노물질은 O₄ 나노와이어(Co₃ O₄ NWs)는 전극 재료로 매력적이며 이러한 나노 구조의 합성은 광범위한 관심을 불러 일으켰지만 여전히 상당히 도전적인 상태로 남아 있습니다. 열수 및 용매열 방법[11,12,13], 템플릿 기반 전기 증착[14], 습식 화학 환원[15]을 포함한 나노와이어 준비를 위한 많은 방법이 지난 수십 년 동안 잘 개발되었습니다. 그러나 이러한 접근 방식은 고압/온도, 값비싼 템플릿 또는 강산(예:템플릿 용해에 널리 사용되는 HF)과 같은 가혹한 합성 조건을 포함하므로 이러한 나노 물질의 실제 적용을 방해합니다. 예를 들어, Dong et al. 준비된 공동₃ O₄ NW는 대기 중에서 순수한 코발트 호일을 가열하여 처리하지만 반응 시간, 온도 및 습도를 세심하게 제어해야 했습니다. 준비 과정이 복잡하고 시간이 많이 걸린다[16]. Ji et al. Co₃를 얻기 위해 템플릿 기반 합성 방법을 사용했습니다. O₄ AAO 주형의 좁은 기공에 있는 NW는 강산과 주형이 필수 불가결한 반면[14]. Xu et al.의 결과에서 Co₃ O₄ NW는 고압의 수정된 열수 방법을 통해 합성되었습니다[11]. 많은 문헌에서 볼 수 있듯이 기존의 접근 방식은 복잡한 조작, 정화의 어려움, 높은 비용 및 심각한 환경 오염과 같은 많은 단점을 가지고 있습니다. 이러한 나노 구조의 대규모 적용을 오랫동안 방해해 온 여러 어려움을 극복하기 위해 향상된 확장성, 실행 가능성 및 환경 친화성을 갖춘 새로운 나노와이어 구조 합성 방법을 개발하는 것이 매우 중요합니다.

여기에서 우리는 Co₃를 준비하는 참신하고 손쉬우며 환경 친화적인 방법을 보고합니다. O₄ NW. 현재 연구에서는 Co 나노와이어(CoNW)의 자기장 보조 합성과 CoNW의 산화라는 2단계 방법이 채택되었습니다. 탁월한 효율성과 단순성으로 현재의 방법은 Co₃의 전기화학적 응용을 넓힐 것입니다. O₄ 이전 합성 방법과 비교하여 재료. 우리가 아는 한, 이 새로운 합성 전략에 관한 관련 보고서는 없습니다. 이 보고서에서 Co₃ O₄ NW는 길이-직경 비율이 ~ 15인 비교적 견고한 구조를 나타내어 전자/이온 전달 경로를 구성하는 데 유용합니다. Co₃와 같은 전도성 지지체로 작용하는 소량의 그래핀(3중량%)의 도움으로 O₄ NW/그래핀 재료는 ~ 790mAh/g의 가역 용량과 일반 Co₃와 비교할 때 우수한 속도 기능을 가지고 있습니다. O₄ 나노입자(Co₃ O₄ NPs), 리튬 이온 배터리 응용 분야의 좋은 후보가 됩니다.

실험

자료

코발트(II) 염화물 육수화물(CoCl₂ ·6H₂ O, 99wt%), 에틸렌디아민사아세트산이나트륨염(EDTA-2Na, 99wt%), 수산화나트륨(NaOH, 98wt%), 염화나트륨(NaCl, 99.5wt%), 염화칼륨(KCl, 99.5wt%) ), 폴리비닐피롤리돈 K30(PVP(–CH(NCH₂) 채널₂ 채널₂ CO)CH₂ –)_n , 남 _w =29,000–35,000) 및 히드라진 일수화물(N₂ H₄ ·H₂ O, 80vol%) Chengdu KeLong Reagent Co., Ltd.(중국)에서 구입했으며 염화백금산 6수화물(H₂ 백금₆ ·6H₂ O, 38wt%)는 Shenyang Research Institute of Non-ferrous Metals(중국)에서 구입했습니다. 모든 화학 물질은 추가 정제 없이 분석 등급이었습니다. 모든 수용액은 탈이온수(DI water)로 제조되었습니다. 상업적으로 이용 가능한 Co₃ O₄ Shanghai Aladdin Bio-chem Technology Co., Ltd.에서 얻은 NP를 대조군으로 사용했습니다.

CoNW의 합성

일반적인 합성에서 0.6mmol CoCl₂ ·6H₂ O 및 0.6mmol EDTA-2Na를 60mL D.I에 용해된 100mL 용량의 PTFE 비커에 넣었습니다. 물. 용액의 pH 값은 희석된 NaOH의 적정에 의해 14로 조정되었고, 계면활성제로서 0.15g PVP가 격렬하게 교반하면서 용액에 용해되었다. 잘 분산된 후, 비이커를 HT20 테슬라 미터로 측정한 35mT의 인가된 필드로 두 개의 자석(수조 내) 사이에 놓고 수조를 80°C로 설정했습니다. 반응 용액의 온도가 80°C에 도달하면 0.30mL N₂ H₄ ·H₂ 환원제로 작용하는 O는 Co²⁺ 의 환원을 위해 위의 용액에 첨가되었습니다. 및 0.12mL의 0.0253mol/L H₂ 백금₆ ·6H₂ O(개시제로 작용함)를 용액에 혼합하였다. CoNW는 10분 이내에 점차적으로 형성되었습니다. 반응 후 자석을 이용하여 용액에서 화합물을 꺼내고 에탄올과 증류수로 여러 번 초음파 세척하여 불순물을 제거하였다. 마지막으로 샘플을 진공 동결 건조 오븐에서 12시간 동안 건조했습니다.

Co₃의 합성 O₄ NW

0.01g의 준비된 샘플을 0.3g의 KCl과 0.2g의 NaCl이 균일하게 혼합된 도자기 보트에 넣었습니다. 그런 다음 혼합물을 머플로에 보관하고 650°C에서 4시간 동안 가열했습니다. 머플로가 자연 냉각된 후 제품을 꺼내 D.I. 물을 세 번 주고 80°C의 건조 오븐에서 4시간 동안 건조합니다. Co₃의 형성 과정 O₄ NW는 그림 1에 나와 있습니다.

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Co₃ 준비를 위한 개략도 O₄ NW

특성화

자료 특성

40kV 전압에서 CuKα를 방사선원으로 사용하여(λ =0.154249 nm) X선 회절 분석(XRD, Philips X'Pert Pro MPD)으로 얻은 제품의 조성 상태를 확인하고 비교했습니다. 회절각(2θ )는 20°와 90° 사이에서 설정되었으며 4° min⁻¹ 의 단계 크기로 설정되었습니다. . ICDD-JCPDS 데이터베이스의 표준 카드와 샘플 회절 패턴을 비교하여 위상 식별을 달성했습니다.

샘플의 미세 구조의 형태는 150kV의 가속 전압에서 전계 방출 주사 전자 현미경(SEM, JSM-6701F, JEOL, Japan)으로 특성화되었습니다. 모든 샘플은 SEM 관찰 전에 금으로 코팅되었습니다.

투과 전자 현미경(TEM) 이미지와 고해상도 TEM(HRTEM) 이미지는 200kV의 가속 전압으로 미세 구조 특성화를 위해 Tecnai-G20 TEM(FEI, USA)에서 촬영했습니다. 동일한 장비를 사용하여 SAED(Selected Area Electron Diffraction)도 기록했습니다.

전기화학 측정

Co₃의 전기화학적 성능 O₄ NW 및 공동₃ O₄ NP는 하프 코인 셀 CR2025를 기반으로 측정되었습니다. 결함이 없는 그래핀 나노시트(df-GNS)는 수정된 액상 박리를 통해 생산된 다음 [17] 전극의 전도성 구성 요소로 사용되었습니다. 두께가 ~ 0.5nm 이하이고 측면 크기가 ~ 1μm인 결함이 없는 그래핀이 준비되고 N에 분산되었습니다. -메틸-피롤리돈(NMP). 바인더 프리 작업전극은 활물질(Co₃ O₄ NW/Co₃ O₄ NPs)와 그래핀 나노시트(GNS)를 100:3의 중량비로 동박 집전체 위에 활성 물질 로딩은 세포당 0.5~1mg이었습니다.

전해액은 1mol/L LiPF₆였습니다. EC/PC/DEC =1:1:1의 부피비로 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC) 및 디에틸 카보네이트(DEC)의 혼합물에 용해됩니다. Celgard 2325 멤브레인을 분리기로 사용했습니다. 코인 셀은 산소 및 수분 함량이 0.1ppm 미만인 아르곤으로 채워진 글로브박스에 조립되었습니다.

정전류 충전-방전 주기는 0.01~3V의 전압 범위 내에서 배터리 테스트 시스템(LAND 2001A)을 사용하여 테스트되었습니다. Co₃의 순환 전압전류도(CV) O₄ NWs/df-GNS 전극은 0.5mV/s의 스캔 속도에서 0.01~3.0V의 전압 범위 내에서 상용 전기 화학 작업 스테이션에서 수행되었습니다. 전기화학적 임피던스 분광법(EIS)은 5.0mV의 전압 진폭과 0.1Hz~100kHz 사이의 주파수 범위에서 개방 회로 전압에서 수행되었습니다.

결과 및 토론

CoNW의 단계, Co₃ O₄ NW 및 공동₃ O₄ NP는 XRD에 의해 처음 조사되었습니다. 이들의 브래그 회절 피크는 각각 그림 2a-c)에 나와 있습니다. CoNW의 회절 피크는 면심 입방체(fcc) Co(JCPDS No. 15-0806)의 반사와 잘 인덱싱되었음을 알 수 있습니다. Miller 지수(111) 및 (220)에 해당하는 44° 및 76°의 2-세타 값에서 fcc Co의 전형적인 두 가지 특성 피크가 각각 관찰되었습니다. 공동₃ O₄ NW 및 공동₃ O₄ NP 회절 피크는 면심 입방체(fcc) Co₃의 반사로 잘 인덱싱되었습니다. O₄ (JCPDS No. 15-0806). Co₃의 기록된 회절 피크 O₄ NP 및 공동₃ O₄ 2θ =19°, 31°, 37°, 39°, 45°, 56°, 59° 및 65°의 NW는 (111), (220), (311), (222), hcp Co₃의 (400), (422), (511) 및 (440) 평면 O₄ , 각각 a의 셀 매개변수로 =8.084 Å, b =8.084 Å 및 c =8.084 Å. 한편, 날카롭고 높은 회절 피크는 준비된 Co₃ O₄ NW는 높은 결정도를 가졌다. 다음으로, Scherrer 공식 D에 따라 XRD 패턴으로부터 평균 결정립 크기를 추정하였다. =λk /(β cosθ ) (여기서 D 평균 결정자 크기, λ X선 파장 0.1542nm, k 는 입자 모양 계수, β 반최대 강도의 각선 너비를 나타내며, θ CoNW 및 Co₃의 경우 값이 18.67 및 25.35nm인 브래그 각도를 나타냅니다. O₄ NW, 각각. 이러한 값은 SEM으로 관찰한 바와 같이 나노와이어의 단일 Co 입자의 크기보다 작음이 분명했으며, 이는 나노와이어의 각 입자가 여러 결정립으로 구성되어 있음을 의미한다. 불순물로 인한 특징적인 피크가 검출되지 않아 Co₃의 고순도를 나타냅니다. O₄ NW. CoNWs-to-Co₃가 이렇게 높다는 것도 놀랍습니다. O₄ 단순 공기 산화를 통한 NW 변환 수율은 높은 비표면적 때문에 산소에 대한 CoNW의 우수한 반응성에 할당될 수 있습니다.

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CoNW의 XRD 패턴(a ), 공동₃ O₄ NW(b ), 공동₃ O₄ NP(c )

얻은 샘플의 형태는 주사 전자 현미경(SEM)에 의해 특성화되었습니다. SEM 이미지는 Co₃를 보여주었습니다. O₄ NP 샘플은 80nm의 균일한 직경을 가지며 대부분의 샘플은 원형 형태가 손상되지 않았습니다(그림 3a 참조). 직경이 ~ 150nm이고 길이가 20μm인 균일한 CoNW가 그림 3b와 같이 관찰되었습니다. 상호 연결된 작은 입자로 구성된 명확한 목걸이 같은 표면 형태를 볼 수 있었고 위에서 제안한 반응 메커니즘을 확인할 수 있었습니다. 또한, CoNW는 6회(1회 1분) 초음파 처리 후에도 와이어와 같은 모양을 유지하는 견고한 구조적 무결성을 가졌습니다. CoNW를 물과 에탄올로 여러 번 헹군 후 CoNW는 Co₃로 쉽게 변환되었습니다. O₄ 단순 공기 산화에 의한 NW. Co₃의 이미지 O₄ NW(그림 3c, d)는 비교적 부드러운 나노와이어를 나타내었고 직경이 약 180nm로 유지되었는데, 이는 나노와이어가 소성 후에도 여전히 와이어와 같은 구조를 유지하고 있음을 나타냅니다. 따라서 공기 산화는 Co₃를 얻기 위한 쉽고 유효한 접근 방식이었습니다. O₄ NW.

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Co₃의 SEM 이미지 O₄ NP(a ), CONW(b ) 및 공동₃ O₄ NW(c , d ) 다른 배율

Co₃의 미세구조 O₄ NP, CoNW 및 Co₃ O₄ NW 샘플은 그림 4a-f와 같이 투과 전자 현미경(TEM), 선택 영역 회절(SAED) 및 고해상도 투과 전자 현미경(HRTEM)으로 추가 조사되었습니다. 전형적인 TEM 이미지는 그림 4a–c에 표시되었으며 샘플의 형태와 구조는 SEM 이미지에서 관찰된 것과 거의 일치했습니다. 또한 그림 4a–c의 삽입도에서 볼 수 있듯이 Co₃의 동심 링 패턴은 O₄ NP 및 공동₃ O₄ 관찰된 NW(그림 4a, c)는 Co₃의 (200), (311), (440) 및 (511) 평면에 할당될 수 있습니다. O₄ , 그리고 관찰된 CoNW(그림 4b)의 동심 링 패턴은 Co의 (111) 및 (220) 평면에 기인할 수 있습니다. SEAD는 Co 및 Co_{3 O₄ , 각각 XRD 결과와 일치했습니다. Co₃의 전구체로서 그림 4e의 HRTEM 이미지에서 CoNW의 격자 방향 O₄ NW는 Co 구조의 (111) 및 (211) 평면에 해당하는 0.12 및 0.21nm의 면간 거리를 가졌습니다. (220), (311), (440), (511) 방향의 격자 간격(그림 4d, f)은 0.28, 0.25, 0.15, 0.14 nm로 추정되어 표준 데이터에 가까웠습니다. 0.29, 0.24, 0.15 및 0.14nm의 범위.}

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Co₃의 TEM 이미지 O₄ NP(a ), CONW(b ), 공동₃ O₄ NW(c ). 삽입(a , b , 및 c )는 해당 샘플의 SAED(selected area electron diffraction) 패턴을 보여주었다. Co₃의 고해상도 TEM 이미지 O₄ NP, CoNW 및 Co₃ O₄ (d의 NW , e , 및 f )

CoNW는 용액 기반 반응 경로를 통해 준비되었습니다. 그림 5에서 가능한 형성 메커니즘을 제안했습니다. 초기에 EDTA-2Na는 Co²⁺ 와 협력했습니다. 이온은 용액에서 착물을 생성합니다. 그런 다음, PVP 분자는 물에서 구형 미셀로 자가 조립되고[18, 19], Co 핵은 구형 미셀 표면에 감싸져 흡수되어 표면 Gibbs 자유 에너지를 감소시킬 수 있습니다. 이후 N₂의 도입으로 H₄ ·H₂ O 솔루션에 N₂의 일부 H₄ 끊임없이 EDTA를 대체했습니다²⁻ 음이온 및 Co²⁺ 와 배위 양이온을 형성하여 [Co(N₂ H₄ )₃ ]²⁺ 착물, 그리고 나머지는 환원제로 작용하여 미니 반응기에 들어가 [Co(N₂ H₄ )₃ ]²⁺ 작은 Co 나노 입자. Co 및 그 화합물은 이전 문헌[20, 21]에 따라 미소구체를 형성하는 데 선호되었습니다. 금속 Co의 고유 자기 특성으로 인해 Co 원자의 쌍극자 자기 모멘트는 외부 자기장 방향에 대해 정렬됩니다. 결과적으로 Co 나노입자는 자기 유도선을 따라 정렬되어 CoNW를 형성합니다.

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Co₃의 개략도 O₄ 외부 자기장에 의한 NW 형성 메커니즘

Co₃의 1D 기하학적 특징 활용 O₄ NWs, 우리는 1D-2D 하이브리드 구조를 구성하기 위해 전도성 지지체로 소량의 2D 무결함 그래핀(df-graphene)을 사용하여 전극을 준비했습니다(df-graphene의 제조 방법은 이전 연구에서 설명되었습니다[17] ). 그림 6a는 Co₃의 형태를 보여줍니다. O₄ NWs/df-GNS 전극. 전극 제조의 경우 Co₃ O₄ 분말 형태의 NW를 df-GNS/NMP 분산액에 첨가한 다음 혼합물 슬러리를 10분 동안 초음파 처리한 후 구리 호일에 드롭 캐스트했습니다. 그림 6b에서 볼 수 있듯이 나노와이어와 나노시트의 저차원 특성으로 인해 Co₃ O₄ NW와 df-GNS는 모두 나노시트 사이에 나노와이어가 내장된 집전체에서 "평평한" 형태를 형성했습니다. 이 구조는 다음과 같은 여러 이점을 제공할 수 있습니다. (1) 이러한 나노물질이 자가 응집, 특히 자기 응집 및 Co₃의 재적층을 방지할 수 있습니다. O₄ 이러한 나노구조의 실제 적용에 대한 주요 단점인 NW; (2) df-GNS는 빠른 전자 경로를 제공할 뿐만 아니라 Co₃의 부피 변화를 수용하기 위해 유연한 완충 쿠션 역할을 합니다. O₄ 충전/방전 중 NW; (3) 1D-2D 나노구조는 Co₃의 외부 표면적, 미세 기공 면적 및 평균 기공 크기 때문에 이온 수송을 촉진하기 위해 수많은 기공과 나노 터널을 제공합니다. O₄ NW는 28.554m² 로 감지되었습니다. /g, 43.697m² /g, 각각 14.682nm.

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아 Co₃의 SEM 사진 O₄ NWs/df-GNS 전극. ㄴ Co₃의 평가 기능 O₄ NW 및 공동₃ O₄ 50~1000mA/g 범위의 다양한 전류 밀도에서 NP ㄷ , d Co₃의 일반적인 초기/20번째 사이클 충전 및 방전 곡선 O₄ NW(c ) 및 공동₃ O₄ NP(d )

준비된 전극의 전기화학적 성능은 50~1000mA/g 범위의 다양한 전류 밀도에서 정전류 충전/방전 사이클링으로 평가되었습니다. 보시다시피 준비된 Co₃ O₄ NWs/df-GNS 전극은 50mA/g의 전류 밀도에서 20사이클 후 ~ 790mAh/g의 가역 용량을 제공하며, 처음 20회 충전/방전 사이클 동안 용량 감소가 거의 관찰되지 않았습니다(그림 6c 참조). 한편 Co₃ O₄ NPs/df-GNS 전극은 첫 번째 방전에서 ~ 1130mAh/g의 비교적 높은 초기 용량을 갖는 것으로 보이며 Co₃보다 훨씬 높습니다. O₄ NW/df-GNS(~ 980mAh/g) 및 Co₃의 이론적 용량 O₄ (890mAh/g). 우리는 이 높은 초기 비가역 용량이 전해질의 분해로 인한 고체 전해질 계면(SEI) 층의 형성에 할당될 수 있다고 생각합니다. 그러나 Co₃의 높은 초기 용량 O₄ NPs/df-GNS는 두 번째 주기에서 ~ 400mAh/g로 감소하는 매우 비가역적인 것으로 보였습니다. 50mA/g의 전류 밀도에서 20회 사이클 후 Co₃에 대해 ~ 150mAh/g만 관찰되었습니다. O₄ NPs/df-GNS 전극(그림 6d 참조). 전류 밀도가 100, 200, 1000mA/g로 증가하면 Co₃ O₄ NWs/df-GNS 전극은 각각 ~ 680, ~ 650 및 ~ 400mAh/g의 용량을 제공하는 반면 Co₃ O₄ NPs/df-GNS 전극은 매우 열악한 용량을 나타냅니다(100–200mA/g에서 150mAh/g 미만 및 1000mA/g에서 20mAh/g 미만).

전류밀도가 50mA/g로 돌아오면 Co₃에서 800mAh/g에 가까운 용량이 얻어짐 O₄ NW/df-GNS, Co₃ O₄ NPs/df-GNS 전극은 리튬 이온 저장 능력을 거의 상실했습니다. Co₃의 심각한 용량 페이딩의 원인 O₄ NPs/df-GNS는 다음 요인에 기인할 수 있습니다. (1) 리튬 삽입/추출 중 큰 부피 변화로 인해 활물질과 전도성 필러/집전체 사이의 접촉 손실이 유발되었습니다. 사이클링 과정에서 Co₃ O₄ NPs 전극은 점차적으로 전자 전달 경로를 잃어 버렸고 결국에는 용량 감소를 초래했습니다. (2) Li₂로 이어지는 자기 응집 나노입자 구성 O 매트릭스 및/또는 겔형 폴리머 층이 나노입자 클러스터를 감싸고 있어 클러스터의 코어로 이온 및/또는 전자 확산을 방해할 수 있습니다. 이에 반해 Co₃의 나노와이어/그래핀 1D/2D 이종구조 O₄ NWs/df-GNS 전극은 큰 부피 변화를 수용할 수 있는 "flat-on" 구성을 구성했을 뿐만 아니라 이온/전자 전송을 향상시키기 위해 수많은 공극과 기공을 제공했습니다. 그 결과 Co3O4NWs/df-GNS의 주기 및 속도 성능이 Co3O4NPs/df-GNS에 비해 크게 개선되어 100 주기 후에도 고용량을 유지했습니다.

정전류 충방전 테스트 외에도 제작된 Co₃의 순환 전압전류도(CV) O₄ NW/df-GNS는 그림 7a에 나와 있습니다. 첫 번째 주기에서 ~ 1.1 및 ~ 0.4 V의 전압 범위에서 두 개의 음극 피크가 관찰되었으며, 이는 Co₃의 다단계 전기화학적 환원과 관련될 수 있습니다. O₄ Li에 의해 금속성 Co(리튬화)를 제공한다[22]. 2.2V의 주요 양극 피크는 Co₃를 개질하기 위한 금속 Co의 산화 반응에 기인합니다. O₄ . 이 가역적 전기화학적 전환 반응은 다음과 같이 요약될 수 있습니다.

$$ {\mathrm{Co}}_3{\mathrm{O}}_4+8\mathrm{Li}{\displaystyle \begin{array}{c}\mathrm{방전}\\ {}\leftrightharpoons \\ { }\mathrm{충전}\end{배열}}3\mathrm{Co}+4{\mathrm{Li}}_2\mathrm{O} $$

아 Co₃의 순환 전압전류도 O₄ 0.5mV/s의 스캔 속도에서 NWs/df-GNS 전극. ㄴ Co₃의 전기화학적 임피던스 스펙트럼 O₄ NP/df-GNS 및 공동₃ O₄ 100kHz~0.1Hz 주파수 범위에서 진폭 5.0mV의 사인파를 적용하여 얻은 NWs/df-GNS 전극

첫 번째 주기에서 ~ 0.4V의 엄청난 강한 음극 피크가 관찰되었습니다. 그러나 이 전압 영역에서 두 번째 및 세 번째 사이클의 음극 피크는 "범프"로 나타났습니다. 우리는 이것을 첫 번째 방전 과정에서 고체-전해질-계면(SEI) 필름의 형성으로 결론지었고, 이는 후속 사이클에서 안정적으로 유지되었습니다. 그 결과 두 번째 주기와 세 번째 주기의 CV 곡선이 거의 겹쳐서 1.2 및 0.7V에서 음극 피크와 2.1V에서 넓은 양극 피크를 나타냅니다. 이러한 거동은 안정화된 SEI 층과 Co3 O₄ NW/df-GNS 전극. 공동₃ O₄ NW/df-GNS 및 Co₃ O₄ NPs/df-GNS 전극은 또한 전기화학적 임피던스 분광법(EIS)으로 특성화되었습니다. 그림 7b에 표시된 두 전극의 Nyquist 플롯은 모두 고주파 영역에서 반원을 나타내고 저주파 영역에서 경사선을 나타냅니다. 임피던스 데이터는 그림 7b의 삽입에 표시된 등가 전기 회로에 맞출 수 있습니다. 여기서 CPE는 이중층 커패시턴스와 관련된 일정 위상 요소, We는 Warburg 임피던스, Rs 및 Rct는 전기화학 시스템의 저항을 나타냅니다. 및 각각 전하 이동 저항. Co₃의 전하 이동 저항 Rct O₄ NWs/df-GNS는 52.6Ω으로 계산되었습니다. 그러나 Co₃의 O₄ NPs/df-GNS는 109Ω이었습니다. 우리는 나노와이어의 우수한 전하 이동 능력이 전극의 속도 성능에 기여했다고 제안합니다.

결론

요약하면, 우리는 Co₃를 합성하기 위한 새롭고 손쉬운 환경 친화적인 전략을 제안했습니다 O₄ 효율성과 비용 효율성이 뛰어난 NW. 이러한 나노 물질에서 우수한 리튬 저장 특성이 관찰되었습니다. XRD 및 SAED 결과는 얻은 대로 Co₃ O₄ NW 샘플은 화학적 및 상 구성에서 우수한 품질을 나타냈습니다. 공동₃ O₄ 평균 직경이 약 180nm이고 길이가 3~8μm인 NW가 SEM 및 TEM으로 관찰되었습니다. 이 나노와이어는 2D 그래핀과 결합된 독특한 1D-2D 하이브리드 나노구조의 빠른 전자 수송 및 부피 변화 수용 특성의 결과로 우수한 전기화학적 성능을 나타내어 700mAh/g 이상의 리튬 저장 용량을 달성했습니다.