Nano-hojas V₆O₁₃ 3D interconectadas en textil carbonizado: cátodo flexible alto-rendimiento para baterías iones litio

Resumen

Nanoestructuras 3D free-standing han emergido como electrodos altamente prometedores para almacenamiento energía, entregando rendimiento electroquímico superior y habilitando soluciones energía wearable. En este estudio, crecimos nano-hojas V₆O₁₃ interconectadas directamente sobre textil carbonizado flexible (c-textil) usando método hidrotérmico asistido-semilla, formando electrodo 3D free-standing para baterías iones litio (LIBs). El electrodo prístino entrega capacidad específica 170 mA h g⁻¹ a 300 mA g⁻¹. Un recubrimiento subsecuente con nanotubos carbono (CNTs) further mejora capacidad 12–40 % across varias tasas corriente, manteniendo capacidad reversible 130 mA h g⁻¹ (74 % valor inicial) tras 300 ciclos a 300 mA g⁻¹. Estas métricas superan la mayoría óxidos vanadio mixto-valencia, debido a estructura nano 3D sinérgica que promueve difusión Li⁺ y red conductiva jerárquica formada por CNTs y andamio fibra carbono.

Antecedentes

Óxidos vanadio —V₆O₁₃, V₃O₇, V₂O₅— son materiales cátodo atractivos LIBs debido a bajo costo, alta capacidad teórica, y suministro abundante vanadio [1–6]. V₆O₁₃ especially compelling, con capacidad teórica 417 mA h g⁻¹ y densidad energía 890 Wh kg⁻¹ cuando fully liticiado Li₈V₆O₁₃ [2, 8]. Sin embargo, rendimiento práctico obstaculizado por caída conductividad electrónica tras litición y modestos coeficientes difusión Li⁺ (10⁻⁸–10⁻⁹ cm² s⁻¹) [7, 9]. Nanoestructuración 3D mitiga estos issues mejorando transporte ión y electrón mientras previene agregación partículas [15–20]. Trabajos previos demostraron nanoestructuras 3D V₆O₁₃ sustratos rígidos, sin embargo crecimiento directo óxido vanadio mixto-valencia en soportes flexibles remains challenging, y cátodos flexibles dispositivos wearable no reported.

En este trabajo, presentamos ruta hidrotérmica straightforward que crece exitosamente nano-hojas V₆O₁₃ interconectadas en bambú carbonizado textil, produciendo electrodo 3D free-standing. Cátodo resultante entrega 161 y 105 mA h g⁻¹ a 300 y 1200 mA g⁻¹, respectivamente. Recubrimiento CNT further eleva capacidades 170 y 140 mA h g⁻¹ y mejora vida ciclo, reteniendo 74 % capacidad inicial tras 400 ciclos a 300 mA g⁻¹. Estas mejoras atribuidas efecto sinérgico nanoestructura 3D y red conductiva jerárquica.

Métodos

Síntesis c-textil

Tela bambú comercial remojada solución 2.5 g NaF/60 mL H₂O 1 h, luego secada 120 °C 5 h. Textil seco carbonizado 800 °C bajo nitrógeno 30 min, produciendo c-textil flexible.

Crecimiento nanoestructura 3D V₆O₁₃ en c-textil

c-textil brevemente oxidado 80 % p/p ácido nítrico (30 min) introducir grupos funcionales oxígeno-portadores. Suspensión 1 mg V₂O₅ en 5 mL agua desionizada sonicada 15 min crear solución semilla. Textil oxidado sumergido esta suspensión 2 h, secado, y calentado 300 °C 10 min nuclear semillas óxido vanadio. Subsecuentemente, 16 mg V₂O₅ añadido 224 µL 30 % p/p H₂O₂, agitado 10 min, diluido 40 mL agua; mezcla agitada 30 min antes transferir autoclave acero inoxidable 25 mL. c-textil oxidado sumergido, autoclave mantenido 180 °C 48 h. Tras lavado agua y alcohol y secado 60 °C 8 h, electrodo flexible 3D V₆O₁₃ obtenido. CNTs then recubiertos repeatedly sumergiendo electrodo suspensión 0.5 mg mL⁻¹ NMP nanotubos multi-pared y secando, produciendo compuesto V₆O₁₃/CNT.

Caracterización Materiales

Morfología examinada microscopía electrónica barrido (SEM, Philips XL30 FEG) y microscopía electrónica transmisión (TEM, JEOL JEM-2010). Espectroscopía fotoelectrónica rayos X (XPS, K-Alpha) realizada fuente Al Kα monocromática.

Fabricación Batería y Medidas Electroquímicas

Celdas moneda CR2016-tipo ensambladas caja guante argón, usando electrodo V₆O₁₃ (≈1 mg cm⁻²) cátodo y foil litio ánodo. Electrolito 1 M LiPF₆ en mezcla 1:1:1 volumen EC/DEC/DMC, y separador polipropileno empleado. Celdas cicladas entre 1.5 y 4.0 V (vs. Li/Li⁺) a 25 °C sistema prueba baterías LAND. Espectroscopía impedancia electroquímica (EIS) realizada workstation Autolab PGSTAT302N 10 mHz–10 kHz.

Resultados y Discusión

Proceso crecimiento nano-hojas 3D V₆O₁₃ en c-textil ilustrado Archivo adicional 1: Figura S1. Inicialmente, tela bambú (Fig. 1a) carbonizada producir c-textil (Fig. 1b). Imágenes SEM (Fig. 2a) muestran c-textil consiste haces entretejidos fibras carbono (~5 µm diámetro), exhibiendo flexibilidad excelente y resistividad lámina 5 Ω sq⁻¹. Tras crecimiento hidrotérmico, textil recubierto película delgada amarillo-verde (Fig. 1d) manteniéndose flexible. Resistividad aumenta 50 Ω sq⁻¹, yet estructura remains intacta. SEM (Fig. 2b,c) revela nano-hojas interconectadas varios micrómetros largo y pocos cientos nanómetros ancho, formando arquitectura 3D. TEM alta-resolución (Fig. 2f) muestra franjas red espaciado 3.5 Å, coincidiendo plano (110) V₆O₁₃ ortorrómbico (PDF No. 71-2235). XPS confirma valencia mixta vanadio, con picos V⁴⁺ (516.0 eV) y V⁵⁺ (517.3 eV), consistente valores literatura [25–27]. Estos resultados confirman crecimiento exitoso 3D V₆O₁₃ en c-textil.

Nano-hojas V₆O₁₃ 3D interconectadas en textil carbonizado: cátodo flexible alto-rendimiento para baterías iones litio

Rendimiento electroquímico evaluado configuración media-celda. Curvas CV (Fig. 4a) muestran picos redox distintos 2.8/2.5 V, con picos adicionales anchos ~3.2 V y 2.3 V (anódico) y ~1.8 V (catódico), indicando transiciones fase multi-paso consistentes reportes previos [2, 28]. Descarga/carga galvanoestática 30 mA g⁻¹ (Fig. 4b) exhibe mesetas inclinadas 2.3 y 2.8 V. Capacidades específicas 30, 150, 300, 600, y 1200 mA g⁻¹ son 253, 176, 161, 133, y 105 mA h g⁻¹, respectivamente, destacando ventaja arquitectura 3D abierta transporte Li⁺. SEM electrodo ciclado (Archivo adicional 1: Figura S2) confirma morfología nano-hojas preservada, subrayando integridad estructural.

Para further mejorar conductividad, electrodo recubierto CNTs. SEM (Fig. 5a,b) muestra CNTs depositados uniformemente nano-hojas, formando puentes inter-hojas (Fig. 5c). Resistividad lámina cae 50 a 20 Ω sq⁻¹. Picos CV permanecen mismos potenciales pero corriente aumentada, indicando cinética más rápida. Rendimiento tasa (Fig. 4c) mejora: capacidades 261, 185, 170, 153, y 140 mA h g⁻¹ a 30, 150, 300, 600, y 1200 mA g⁻¹ representan impulso 12–40 % sobre electrodo sin recubrir. Coeficientes difusión Li⁺ calculados CV son 4.79 × 10⁻⁸ y 2.01 × 10⁻⁸ cm² s⁻¹ procesos anódico y catódico, respectivamente, mayores electrodo bare (2.42 × 10⁻⁸ y 1.70 × 10⁻⁸ cm² s⁻¹).

Gráficos Nyquist EIS (Fig. 6a) muestran resistencia transferencia-carga (R_ct) reducida 37.24 Ω electrodo CNT-recubierto versus 55.58 Ω bare, atribuible red conductiva mediada CNTs. Circuito equivalente (inset) incluye elemento fase constante e impedancia Warburg account difusión Li⁺.

Estabilidad ciclado (Fig. 4d) markedly improved: electrodo CNT-recubierto retiene 74 % capacidad inicial tras 300 ciclos a 300 mA g⁻¹, comparado 42 % electrodo bare. Durabilidad mejorada ascribed refuerzo mecánico CNTs, unión continua nano-hojas andamio conductivo, y supresión reacciones laterales. Mejoras futuras pueden involucrar reducir resistencia c-textil, dopar V₆O₁₃ azufre, o aplicar recubrimientos polímeros conductivos.

Conclusiones

Hemos demostrado ruta hidrotérmica asistida-semilla facil para crecer nano-hojas V₆O₁₃ 3D free-standing directamente en textil carbonizado flexible, produciendo cátodo alto-rendimiento, flexible para LIBs. Electrod entrega capacidad robusta y excelente vida ciclo, further mejorada recubrimiento CNT, que establece red conductiva jerárquica y mejora tanto transporte electrónico como iónico. Esta estrategia —combinando bloques construcción nanoestructurados 3D con andamio conductivo jerárquico— puede extenderse otras químicas electrodo lograr rendimiento almacenamiento energía superior.