Compuesto negro de acetileno / MoS2 de pocas capas como material de ánodo eficiente para baterías de iones de litio

Resumen

Novedoso MoS ₂ / El compuesto de acetileno negro (AB) se desarrolló utilizando un método hidrotermal de un solo paso. Una caracterización sistemática reveló un MoS ultradelgado de pocas capas ₂ crecido en la superficie de AB. Se encontró que la inclusión de AB aumenta la capacidad del compuesto y logra una capacidad de descarga de 1813 mAhg ⁻¹ .

Antecedentes

La batería de iones de litio (LiB) ha sido una de las tecnologías de almacenamiento de energía recargable más importantes utilizadas en una variedad de dispositivos electrónicos portátiles como computadoras portátiles y teléfonos celulares. En el escenario actual de creciente contaminación y agotamiento de los combustibles fósiles, las perspectivas en la comunidad de investigación para los vehículos eléctricos (EV) de fuente de energía LiB han ido en aumento. El rendimiento de los vehículos eléctricos depende en gran medida del rendimiento de los LiB en términos de capacidad y ciclabilidad. El grafito, un material de ánodo ampliamente utilizado para los LiB comerciales [1], ofreció una gran cantidad de mejoras en comparación con los materiales de ánodo de Li puro y carbonoso más antiguos. Pero, la capacidad teórica limitada del grafito (372 mAhg ⁻¹ ) solicita un reemplazo para aumentar la capacidad del LiB. Se han realizado muchas investigaciones sobre la mejora de los materiales de los ánodos para lograr una alta capacidad específica y ciclabilidad. Después de la inclusión del supermaterial "grafeno" en los LiB, se encontró que la capacidad alcanzada era el doble que la del grafito [2, 3]. Mientras busca otras alternativas, MoS ₂ se ha encontrado que es un candidato prometedor con alta capacidad, facilidad de preparación y expansión de bajo volumen [4]. MoS ₂ se encuentra involucrado en una reacción de transferencia de cuatro electrones mientras aloja iones de litio, lo que permite una capacidad de hasta 669 mAhg ⁻¹ . Aunque el MoS ₂ masivo no ofrece muchas propiedades electroquímicas interesantes para el almacenamiento de Li, las contrapartes nanoestructuradas del mismo ofrecen propiedades más interesantes, por lo que despiertan un gran interés cada vez mayor. Aunque existen pocos materiales nanoestructurados como carbono, silicio [5], estaño [6] y dióxido de estaño [7], MoS ₂ supera a estos en términos de capacidad de tasa y retención de capacidad junto con viabilidad económica. A pesar de varias características destacadas, MoS ₂ como tal, no puede emplearse como material anódico comercial en LiBs debido a su baja conductividad electrónica intrínseca y gran expansión y contracción después de litiación y desitiación que resulta en pulverización y pérdida de contacto eléctrico [8,9,10]. Estos, a su vez, dan como resultado una mala ciclabilidad y dinámica de MoS ₂ almacenamiento de litio. Se han trabajado varias estrategias para eliminar estas desventajas. Son MoS ₂ nanoestructuras con morfologías variadas, MoS ₂ / híbridos de polímeros conductores [1, 11] y MoS ₂ / nanocompuestos de carbono [12,13,14]. Recientemente, MoS ₂ / Se descubrió que los materiales de carbono eran atractivos debido a sus capacidades tan altas [15, 16] como 1000 a 1100 mAhg ⁻¹ . El presente trabajo de investigación trata de la preparación de nuevos MoS ₂ de pocas capas / Material compuesto AB que utiliza como sustrato conductor un negro de carbono conocido pero desatendido, el negro de acetileno. Además de poseer una alta relación de área superficial a volumen, exhibe una interacción interesante muy buena con los electrolitos [17]. También es bien conocido por su capacidad aglutinante y se utiliza en la preparación de buenas tintas para fabricar electrodos de carbono que proporcionan capacidad aglutinante junto con buena conductividad electrónica. El estudio demuestra que AB no solo es un buen sustrato conductor, sino también un mejor material de nucleación para la preparación de MoS ₂ de pocas capas altamente cristalino . La caracterización sistemática y la aplicación del material como ánodo en LiB conducen a alcanzar ~ 1813 mAhg ⁻¹ . Según nuestro conocimiento, esta es la primera vez que un MoS ₂ de varias capas / El compuesto AB se ha utilizado como material de ánodo para lograr una alta capacidad específica.

Métodos

Síntesis

El MoS ₂ de pocas capas El compuesto / AB se preparó utilizando un sencillo método hidrotermal de una sola olla. En esto, 1 mmol de Na ₂ MoO ₄ 2H ₂ Se disolvieron O y 5 mmol de tiourea en 60 ml de agua a los que se añadieron 100 mg de AB. Esta solución se sometió a ultrasonidos durante 30 min para obtener una solución homogénea que se mantuvo a 210 ° C durante 24 h en un autoclave. El material resultante se filtró, se lavó minuciosamente con agua y se secó a 100ºC al vacío durante 12 h. Generalmente, junto con el material activo, se usará un carbón conductor (negro de acetileno) junto con un aglutinante polimérico como el fluoruro de polivinilideno para hacer una tinta. En el presente estudio, AB se utiliza como sustrato conductor y sustrato de nucleación para cultivar MoS ₂ de pocas capas . Por lo tanto, el uso del 10% adicional de carbono conductor se omite en el método de preparación de la tinta. En resumen, MoS ₂ Se tomó un compuesto / AB junto con un 10% en peso de PVDF en un vaso de precipitados, a este alcohol isopropílico, y se añadió la mezcla de NMP para dispersar usando ultrasonidos. Se preparó así una suspensión uniformemente dispersa y luego se revistió por pulverización sobre una hoja de Cu. El electrodo se secó a 120 ° C al vacío durante la noche para eliminar las trazas de los disolventes utilizados. El electrodo constaba de 0,728 mg / cm ² de material activo.

Caracterizaciones de materiales

El patrón de difracción del material se caracterizó por una técnica de difracción de rayos X en polvo (difractómetro de rayos X Smart Lab, Rigaku) con radiación Cu Kα (λ =0.154 nm, en el rango 2θ de 10 ° -70 ° con un tamaño de paso de 0,005 °). El análisis elemental del material se estudió utilizando la técnica de espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS) realizada en el instrumento S-Probe ™ 2803. La caracterización morfológica se realizó mediante microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (HR-TEM) en el modelo Hitachi H-7650. La muestra de TEM se preparó dejando caer una solución metanólica que contenía un compuesto bien disperso sobre una rejilla de cobre recubierta de carbono.

Resultados y discusión

El patrón de difracción del material preparado como se muestra en la Fig. 1a. El pico débil y ensanchado entre 25 ° y 28 ° puede asignarse al carbono (002). Todos los demás picos marcados y distintivos implican pureza de fase y alta cristalinidad. Estos picos concuerdan bien con el MoS hexagonal ₂ aviones [2]. El c promedio -la altura de apilamiento se calculó mediante la ecuación de Scherrer ( kλ / β porque θ ) donde k es el factor de forma, λ es la longitud de onda de los rayos X, β es el ancho completo a la mitad del máximo (FWHM) del pico (002) de MoS ₂ y θ es la posición más alta. El c calculado -Se encontró que la altura de apilamiento era de 5 nm y constaba de cinco a seis capas de MoS ₂ . Análisis elemental de MoS ₂ / El compuesto AB se realizó utilizando XPS. El muestreo para XPS se llevó a cabo mediante colada gota a gota del material sobre una hoja de Cu. El espectro de la encuesta XPS (Fig 1b) indicó la presencia de Mo, S, C y una pequeña cantidad de O. La relación Mo:S corroboró la estequiometría del material en forma de MoS ₂ . La composición también confirmó el MoS ₂ :AB como 8:2; en otras palabras, la cantidad de AB en el compuesto fue del 20%. La desconvolución del pico de alta resolución (Fig 1c) de molibdeno reveló dos picos a 231,3 y 228,2 eV correspondientes a 3d _3/2 en 3d _1/2 de Mo (IV). La ausencia de cualquier otro pico 3d confirma la ausencia de otros estados de oxidación superiores de Mo; en otras palabras, la ausencia de óxido de Mo fue evidente. El porcentaje del átomo de oxígeno en el MoS ₂ / AB y AB son iguales. Por lo tanto, este oxígeno se puede atribuir únicamente a los restos funcionales de AB, que a su vez reitera la ausencia de formas de óxido de Mo. Los picos de sulfuro a 161 y 162,1 eV representan el 3p _1/2 y 3p _3/2 de sulfuro (Fig. 1d). Esto confirma la presencia de MoS ₂ puro en el compuesto. Las características morfológicas del MoS ₂ / AB se estudiaron utilizando TEM. La Figura 2a muestra la morfología altamente interconectada de AB, y la Figura 2b muestra el AB finamente en capas y las capas 2D transparentes de grafeno están expuestas en los bordes. Las micrografías TEM (Fig. 2c, d) muestran que el MoS ₂ / AB es de naturaleza en capas con algunas capas de MoS ₂ junto con la naturaleza interconectada de AB funcionando todo el tiempo como un hilo de conexión. La morfología del MoS ₂ Se encontró que las capas eran una estructura similar a una flor, y se encontró que el tamaño de las partículas era de alrededor de 650 nm distribuidas en una red de AB. Con esto, queda muy claro que la relación de aspecto de MoS ₂ con respecto al tamaño de partícula de AB es muy alto, lo que hace que AB sea un enlazador muy bueno. La alta relación de área de superficie a volumen del AB lo convierte en una red conductora uniforme distribuida a través del MoS ₂ matriz incluso con solo 20% en peso. La Figura 2d también corrobora los resultados similares a los de XRD que muestran de cinco a seis capas de MoS ₂ . Como se encontró que AB tiene muchos defectos estructurales y funcionales, se puede esperar que la nucleación mejorada forme capas uniformes y más dispersas que tengan AB como conductor de la columna vertebral. La presencia de AB también restringe en gran medida la naturaleza de pocas capas de MoS ₂ de reapilar.

( a ) Patrones de difracción XRD para MoS ₂ / AB y AB sin procesar. ( b ) Espectro de levantamiento XPS que muestra la presencia de Mo, S, C y O. c Espectros de alta resolución de pico y d de Mo 3d S 2p

Micrografías TEM de a AB mostrando morfología interconectada. b Naturaleza altamente estratificada de AB. c MoS ₂ nanocristal que muestra una morfología similar a una flor. d Morfología en capas y transparente de MoS ₂ con un recuadro que muestra una vista cercana de algunas capas de MoS ₂ en el compuesto preparado

Para comprender el rendimiento electroquímico del MoS ₂ de pocas capas / AB compuesto, especialmente para estudiar el efecto de MoS ₂ altamente exfoliado y AB a la capacidad, se realizaron pruebas de carga-descarga galvanostática en un tipo de celda de moneda convencional. La media celda se hizo usando lámina de Li como cátodo y como se preparó MoS ₂ / AB compuesto como ánodo separado por un separador celgard®, y sal LiTFSI 0,1 M en EC:DEC se utilizó como electrolito. La descarga de carga se realizó a una tasa de 0.090 mA entre 2.10 y 0.03 V. La Figura 3a muestra las curvas de descarga de carga para la misma. Las curvas de descarga de carga típicas se observaron en el caso de MoS ₂ / AB compuesto. La meseta en alrededor de 1.0 V vs Li / Li ⁺ representa la inserción de litio.

$$ Mo {S} _2 + xL {i} ^ {+} + x {e} ^ {-} \ to L {i} _x Mo {S} _2 $$

un Curvas de descarga de carga para 10 ciclos (izquierda) y b eficiencia culómbica y capacidad específica frente al número de ciclo (derecha)

La meseta inferior se produce a 0,6 V frente a Li / Li ⁺ se puede atribuir al proceso de reacción de conversión, que primero implica la descomposición in situ reversible de MoS ₂ en Mo metálico incrustado en un Li ₂ S matriz y / o dando como resultado la capa de polímero similar a un gel de la electrodegradación del electrolito. Ambos niveles potenciales desaparecen después de los primeros ciclos. En la curva de delitiación, se observa una meseta pequeña pero llamativa a alrededor de 1,7 V, y es típica de la fase altamente cristalina de MoS ₂ en el compuesto. Como se muestra en la Fig. 3a, el compuesto dio una capacidad de primera litiación enormemente alta de 4086 mAhg ⁻¹ , y luego, se encontró que la capacidad reversible era de alrededor de 1813 mAhg ⁻¹ . La Figura 3b muestra la eficiencia culómbica y la capacidad específica frente al número de ciclos. Después de su primer ciclo, el MoS ₂ El electrodo compuesto / AB mostró un comportamiento de carga / descarga reversible, exhibiendo una capacidad estable de aproximadamente 1813 mAhg ⁻¹ con eficiencia culómbica de> 95%. Se encuentra que la capacidad reversible del presente material es de 523 mAhg ⁻¹ más alto que el del material del campeonato hasta la fecha. Las capacidades mejoradas se pueden atribuir a los siguientes factores:(i) MoS ₂ muy exfoliado y con pocas capas , (ii) efecto sinérgico entre MoS ₂ de pocas capas y AB en capas, (iii) litiación y delitiación mejoradas debido a la presencia de AB con alta capacidad de absorción de electrolitos, y (iv) conductividad electrónica mejorada con la introducción de AB.

Conclusiones

En conclusión, el presente trabajo de investigación incluye la preparación de nuevos MoS ₂ de pocas capas / material compuesto de acetileno negro en un método hidrotermal muy simple. Se caracterizó sistemáticamente un material preparado para comprender la morfología y las composiciones químicas. El material se fabricó como un electrodo y se llevaron a cabo caracterizaciones de carga / descarga en una media celda anódica LIB para dilucidar el comportamiento de capacidad del mismo. Los estudios se realizaron en una configuración de celda de moneda convencional utilizando una configuración de media celda. Los resultados obtenidos prevén el material compuesto preparado como un candidato prometedor como material de ánodo eficiente para LIBs. Según nuestro conocimiento, las capacidades alcanzadas de 1813 mAhg ⁻¹ con el compuesto están liderando el contingente de todos los demás MoS ₂ -materiales familiares hasta la fecha.

Efecto del electrodo ITO pulverizado de ángulo oblicuo en estructuras de células solares de perovskita MAPbI3 Evolución morfológica de sustratos de Si (001) con patrón de hoyo impulsados por la reducción de energía superficial

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