Síntese de NiCo2O4 semelhante ao ouriço-do-mar por meio de estratégia de automontagem orientada por carga para baterias de íon-lítio de alto desempenho

Resumo

Neste estudo, síntese hidrotérmica de NiCo ₂ semelhante ao ouriço-do-mar O ₄ foi demonstrado com sucesso por uma estratégia versátil de automontagem dirigida por carga usando moléculas de poli (cloreto de dialidimetilamônio) (PDDA) carregadas positivamente. As caracterizações físicas implicaram que microesferas semelhantes a ouriços-do-mar de ~ 2,5 μm de tamanho foram formadas por automontagem de numerosas nanagulhas com uma dimensão típica de ~ 100 nm de diâmetro. O estudo de desempenho eletroquímico confirmou que NiCo ₂ semelhante ao ouriço-do-mar O ₄ exibiu alta capacidade reversível de 663 mAh g ⁻¹ após 100 ciclos na densidade de corrente de 100 mA g ⁻¹ . A capacidade da taxa indicou que as capacidades médias de 1085, 1048, 926, 642, 261 e 86 mAh g ⁻¹ poderia ser alcançado em 100, 200, 500, 1000, 2000 e 3000 mA g ⁻¹ , respectivamente. Os excelentes desempenhos eletroquímicos foram atribuídos à micro / nanoestrutura única de NiCo ₂ semelhante ao ouriço-do-mar O ₄ , adaptado por moléculas PDDA carregadas positivamente. A estratégia proposta tem grande potencial no desenvolvimento de óxidos de metais de transição binários com micro / nanoestruturas para aplicações de armazenamento de energia eletroquímica.

Introdução

Espinélio níquel cobaltita (NiCo ₂ O ₄ ) é um dos mais importantes óxidos de metal de transição binários (TMOs) com amplas aplicações em separação eletrocatalítica de água, supercapacitores e materiais de baterias recarregáveis, etc. [1,2,3,4,5,6,7]. Particularmente, espinélio NiCo ₂ O ₄ , tendo uma capacidade específica teórica (890 mAh g ⁻¹ ), podem ser usados como materiais de ânodo de alta capacidade promissores para armazenamento eletroquímico de lítio, devido à maior condutividade elétrica e atividades eletroquímicas do que os óxidos monometálicos (Co ₃ O ₄ e NiO) [8, 9]. No entanto, o desempenho de armazenamento de lítio do NiCo ₂ O ₄ era altamente dependente da estrutura e morfologia distintas, que mostraram efeitos significativos na estabilidade do ciclo e capacidade de velocidade.

Nos últimos anos, vários NiCo ₂ O ₄ com morfologias interessantes, incluindo nanofios [10], nanofolhas [11], nanoflocos [12], nanobelts [12], semelhantes a ouriços do mar [13] e estruturas semelhantes a flores [14], foram sintetizados por método hidrotérmico e solvotérmico . Estudos anteriores sugeriram que micro / nanoestruturas manifestaram benefícios duplos de dimensões em micro e nanoescala para melhor transporte de elétrons e íons, levando a desempenhos eletroquímicos superiores [15, 16]. Geralmente, o design da estrutura do NiCo ₂ O ₄ com micro / nanoestruturas foi direcionado pela escolha de reagentes de controle de morfologia apropriados. Zhang et al. empregou polivinilpirrolidona (PVP) para sintetizar NiCo ₂ O ₄ para controlar a morfologia, com base na coordenação de íons metálicos com grupos funcionais (por exemplo, -N e / ou C =O) de pirrolidona [17]. No entanto, reagentes direcionadores de estrutura eficazes limitados são viáveis para a síntese de TMOs binários com morfologia única. Assim, é altamente desejável explorar reagentes versáteis para sintetizar NiCo ₂ O ₄ com micro / nanoestruturas. Recentemente, relatamos que reagentes carregados positivamente, como cloreto de dialildimetilamônio (DDA) e seu homopolímero, exibiram potenciais na síntese de Co ₃ O ₄ para baterias de íon-lítio (LIBs) [15, 16]. No entanto, não temos conhecimento de quaisquer TMOs binários (por exemplo, NiCo ₂ O ₄ ) com micro / nanoestruturas sintetizadas por tais moléculas carregadas para aplicações de armazenamento eletroquímico de lítio.

Aqui, relatamos a estratégia de automontagem baseada em carga para NiCo ₂ O ₄ com estrutura semelhante a ouriço-do-mar, seguida de tratamento térmico. As moléculas de poli (cloreto de dialidimetilamônio) (PDDA) carregadas positivamente foram consideradas como um reagente direcionador de estrutura crucial na síntese hidrotérmica. NiCo ₂ semelhante ao ouriço-do-mar O ₄ com micro / nanoestruturas também demonstrou desempenho superior de armazenamento de lítio em ciclos repetidos de carga-descarga. Obviamente, é o primeiro trabalho na síntese de automontagem dirigida por carga de TMOs binários com a ajuda de moléculas orgânicas carregadas. Espera-se que esta nova estratégia abra uma nova maneira de sintetizar TMOs binários com novas micro / nanoestruturas para materiais de armazenamento de energia.

Métodos

Síntese de NiCo semelhante ao ouriço-do-mar ₂ O ₄

Em uma síntese típica, 0,5 g de tetrahidrato de acetato de níquel (≥ 99%), 1,0 g de tetrahidrato de acetato de cobalto (≥ 98%) e 3,0 g de ureia (99,5%) recebidos da Acros Organics foram dissolvidos em 55 mL de água desionizada, seguido pela adição de 5 g de solução de PDDA (20% em peso em H ₂ O, Sigma-Aldrich). A solução misturada foi cuidadosamente transferida para uma autoclave de aço inoxidável forrada com Teflon e colocada em um forno elétrico mantido a 120 ° C por 2 h. A precipitação resultante foi recolhida por filtração assistida por vácuo e lavada três vezes com água desionizada. Finalmente, a amostra filtrada foi tratada termicamente em uma mufla a 450 ° C por 2 h. As amostras pretas sintetizadas foram utilizadas diretamente nas caracterizações de materiais e avaliação de desempenho eletroquímico.

Caracterizações de materiais e avaliação de desempenho eletroquímico

Fases do cristal, morfologias do material, microestruturas e estados de valência das amostras preparadas foram caracterizados por difratômetro de raios-X de pó (XRD, Philips PW1830), microscópio eletrônico de varredura por emissão de campo (FE-SEM, Hitachi S4800), microscópio eletrônico de transmissão ( TEM, FEI Tecnai G ² 20 varredura) e espectroscopia de fotoelétrons de raios-X (XPS, Modelo PHI5600), respectivamente. O estudo de conversão térmica de precursores foi conduzido em análise termogravimétrica (TGA, Mettler Toledo) e calorimetria de varredura diferencial (DSC, Mettler Toledo) sob atmosfera de oxigênio. Além disso, área de superfície específica e distribuições de tamanho de poro de NiCo ₂ O ₄ foram realizados em um analisador de área de superfície (Quantachrome Instruments) por N ₂ isotermas de adsorção-dessorção a 77 K. A área de superfície específica e a distribuição do tamanho dos poros foram obtidas pelo método multiponto Brunauer – Emmett – Teller (BET) e Barrett – Joyner – Halenda (BJH), respectivamente. O desempenho de armazenamento eletroquímico de lítio e a capacidade de taxa foram avaliados em célula tipo moeda CR2025 com NiCo ₂ O ₄ como eletrodo de trabalho, metal de lítio como contra-eletrodo, membrana microporosa (Celgard® 2400) como separador e 1 M LiPF ₆ em 50% em volume de carbonato de etileno e 50% em volume de carbonato de dimetila como eletrólito. O eletrodo de trabalho era composto por 80% de NiCo ₂ ativo O ₄ materiais, 10% de aglutinante PVdF e 10% de carbono condutor SuperP. A análise de voltametria cíclica (CV) foi medida na faixa de tensão de 0,005–3 V vs. Li ⁺ / Li e espectros de impedância eletroquímica (EIS) de NiCo semelhante ao ouriço-do-mar ₂ O ₄ anodos também foram registrados em estação eletroquímica (CorrTest® Instruments) na faixa de frequência de 100 kHz a 0,01 Hz com amplitude de 5 mV. O teste de carga-descarga galvanostática foi conduzido em um sistema de teste de bateria (LAND CT2001A) em temperatura ambiente. O desempenho do ciclo foi conduzido em uma densidade de corrente de 100 mA g ⁻¹ para 100 ciclos e o teste de capacidade de taxa foi realizado com várias densidades de corrente variando de 100 mA g ⁻¹ a 3000 mA g ⁻¹ .

Resultados e discussão

O padrão de XRD na Fig. 1a sugeriu que o produto conforme preparado era NiCo cúbico de face centrada ₂ O ₄ de alta cristalinidade e pureza (PDF 02-1074). Os picos 2θ localizados em 31,1 °, 36,6 °, 44,6 °, 55,3 °, 59,0 °, 64,7 ° foram atribuídos a planos de cristal característicos (2 2 0), (3 1 1), (4 0 0), (4 2 2 ), (5 1 1) e (4 4 0), respectivamente. Além disso, as fases de cristal nos precursores preparados consistiam em Ni ₂ CO ₃ (OH) ₂ (PDF 35-0501) e Co (CO ₃ ) _0,5 (OH) · 0,11H ₂ O (PDF 48-0083), consistente com estudo anterior [18]. Os picos 2θ em 12,1 °, 24,3 °, 30,5 °, 34,8 ° e 59,8 ° podem estar relacionados ao Ni ₂ CO ₃ (OH) ₂ plano de cristal (1 1 0), (1 3 0), (- 1 0 1), (- 2 0 1) e (0 0 2), respectivamente. Os picos 2θ em 17,5 °, 33,8 °, 39,5 ° e 47,3 ° podem ser atribuídos a Co (CO ₃ ) _0,5 (OH) · 0,11H ₂ Plano de cristal O (0 2 0), (2 2 1), (2 3 1) e (3 4 0), respectivamente. Aparentemente, ambos Ni ²⁺ e Co ²⁺ foram precipitados por CO ₃ ²⁻ e OH ^- íons, liberados da decomposição da ureia em condições hidrotérmicas [16]. A curva TGA na Fig. 1b exibiu que a temperatura de calcinação de 450 ° C foi suficiente para a conversão térmica das fases mistas em NiCo ₂ puro O ₄ , uma vez que nenhuma perda de massa foi observada após 450 ° C. Além disso, a temperatura de conversão foi determinada em 350 ° C, levando a uma perda de massa total de 37% em peso.

A análise morfológica na Fig. 2a, b implica que a estrutura semelhante ao ouriço-do-mar dos precursores foi obtida com sucesso com tratamento hidrotérmico assistido por PDDA. Após tratamento térmico a 450 ° C, morfologia semelhante a ouriço-do-mar de NiCo ₂ O ₄ microesferas ainda podem ser mantidas, indicando a natureza robusta em alta temperatura. O NiCo ₂ O ₄ as microesferas tinham tipicamente ~ 2,5 μm de diâmetro, compostas por numerosas nanagulhas com um diâmetro médio de ~ 100 nm. Observe que as moléculas de PDDA desempenham um papel fundamental na formação da estrutura semelhante à do ouriço-do-mar. No início, a decomposição da ureia leva à geração de CO ₃ ²⁻ e OH ^- iniciou a nucleação de Co ²⁺ e Ni ²⁺ em condições hidrotermais. Os átomos de nitrogênio no PDDA dotados de pares de elétrons isolados permitiram uma forte interação eletrostática com íons negativos. Portanto, a superfície desses pequenos núcleos foi ocupada primeiro por esses íons negativos (CO ₃ ²⁻ e OH ^- ), levando à adsorção eletrostática de moléculas positivas. Devido ao impedimento estérico, o PDDA levou ao crescimento de cristais de precursores ao longo de uma direção preferencial. A fim de minimizar a energia de superfície, a automontagem de nanoestruturas por meio de um processo de amadurecimento de Ostwald espontâneo eventualmente ocorre, resultando na formação de uma estrutura semelhante a ouriço-do-mar.

Os efeitos das quantidades de PDDA na morfologia dos precursores também foram investigados com a caracterização FE-SEM. Como mostrado na Fig. 3, quando a solução de PDDA de 2,5 g foi adicionada na síntese hidrotérmica, a amostra precursora preparada exibiu a mesma estrutura esférica de 2 ~ 5 um de diâmetro. Muitas nanagulhas, consideradas unidades de construção, foram organizadas aleatoriamente em grandes esferas micro / nanoestruturadas. Quando a quantidade de PDDA foi posteriormente aumentada para 10 g, as estruturas semelhantes a ouriços-do-mar e feixes de palha puderam ser encontradas obviamente nos precursores hidrotérmicos. Os efeitos do PDDA na orientação do cristal devem ser associados à propriedade de carga superficial de pequenos núcleos, que podem ser ajustados pelas quantidades de moléculas de PDDA carregadas positivamente. Assim, solução de PDDA de 5 g, que era equivalente a uma concentração de 16,7 mg L ⁻¹ , foram as condições ideais para a síntese da estrutura semelhante à do ouriço-do-mar, devido à orientação preferencial de crescimento do cristal.

As microestruturas das microesferas analisadas por TEM revelaram que estruturas altamente porosas em NiCo ₂ O ₄ foi indicado pelo contraste branco / preto evidente e a alta cristalinidade foi convencida pelos planos de rede claros (Fig. 4a, b). O tamanho médio das partículas primárias era de cerca de 10 nm. O d valores de espaçamento de ~ 0,20 nm e ~ 0,25 nm foram atribuídos ao plano do cristal (400) e (311), respectivamente. Além disso, o tamanho dos poros era de cerca de 10 nm em média. A análise acima confirmou que NiCo ₂ semelhante ao ouriço-do-mar O ₄ foram sintetizados com sucesso pela estratégia de automontagem dirigida por carga com subsequente tratamento térmico.

Baseado em N ₂ isoterma de adsorção-dessorção, área de superfície específica de BET e distribuição de tamanho de poro BJH de NiCo ₂ O ₄ amostra foi de cerca de 68,6 m ² g ⁻¹ e 8,8 nm, respectivamente (Fig. 5). A alta área de superfície e tamanho de poro uniforme foram favoráveis para encurtar o comprimento de difusão de íons e aliviar a expansão de volume em processos eletroquímicos. O espectro de pesquisa na Fig. 6a representou a presença de Ni, Co, O e C no produto. Os dados XPS de alta resolução de Co2p na Fig. 6b indicaram que a coexistência de Co ²⁺ e Co ³⁺ espécie, conforme revelado pelo encaixe Co2p _3/2 picos localizados em ~ 779,5 eV e ~ 781,3 eV, respectivamente. Da mesma forma, os dados XPS de alta resolução de Ni 2p na Fig. 6c implicam na presença de Ni ²⁺ e Ni ³⁺ , conforme sugerido pelo encaixe Ni2p _3/2 picos centrados em cerca de ~ 854,6 eV e ~ 856,2 eV, respectivamente. A presença de picos de satélite também confirmou a presença de Co ²⁺ e Ni ²⁺ . Observe que as separações de pico para Co2p _1/2 vs Co2p _3/2 e Ni2p _1/2 vs Ni2p _3/2 foram determinados como sendo 15,2 e 17,3 eV, consistente com estudos anteriores [16, 19]. Múltiplos estados de valência de Co (+ 2, + 3) e Ni (+ 2, + 3) no espinélio NiCo ₂ O ₄ foram benéficos para reações de conversão eletroquímica em processos de carga e descarga.

O mecanismo de conversão eletroquímica e a reversibilidade do NiCo ₂ semelhante ao ouriço-do-mar O ₄ foi investigado com análise de CV. Como mostrado na Fig. 7, no primeiro ciclo, dois picos catódicos distintos localizados em cerca de 0,8 V e 1,3 V indicaram a redução eletroquímica de Co ³⁺ para Co ²⁺ e, em seguida, redução de Co ²⁺ e Ni ²⁺ para espécies metálicas de Co e Ni, respectivamente [20]. Para o primeiro processo anódico, a oxidação eletroquímica de Co e Ni metálicos em cerca de 1,4 e 2,2 V levaria à geração reversível de Co ²⁺ , Co ³⁺ e Ni ²⁺ espécie, que eventualmente resultou na formação de NiCo ₂ O ₄ Estágio. Também é possível que a interfase de eletrólito sólido tenha se formado no primeiro ciclo de ativação. Obviamente, após o processo de ativação no primeiro ciclo, boa reversibilidade das reações redox eletroquímicas pôde ser observada nos dois ciclos subsequentes, conforme indicado pelas curvas CV sobrepostas. A única diferença foi que o pico de redução principal foi deslocado de 0,8 para 1,0 V, consistente com o estudo CV anterior em NiCo ₂ O ₄ ânodos [8]. O mecanismo detalhado das reações de conversão eletroquímica também foi discutido em estudos anteriores e pode ser descrito a seguir [20].

$$ {\ mathrm {NiCo}} _ 2 {\ mathrm {O}} _ 4 + 8 \ {\ mathrm {Li}} ^ {+} + 8 \ {\ mathrm {e}} ^ {\ hbox {-}} \ leftrightarrow 2 \ \ mathrm {Co} + \ mathrm {Ni} +4 \ {\ mathrm {Li}} _ 2 \ mathrm {O} $$ (1) $$ \ mathrm {Ni} + {\ mathrm {Li} } _2 \ mathrm {O} \ leftrightarrow \ mathrm {Ni} \ mathrm {O} +2 \ {\ mathrm {Li}} ^ {+} + 2 \ {\ mathrm {e}} ^ {\ hbox {-} } $$ (2) $$ \ mathrm {Co} + {\ mathrm {Li}} _ 2 \ mathrm {O} \ leftrightarrow \ mathrm {Co} \ mathrm {O} +2 \ {\ mathrm {Li}} ^ {+} + 2 \ {\ mathrm {e}} ^ {\ hbox {-}} $$ (3) $$ \ mathrm {CoO} +1/3 \ {\ mathrm {Li}} _ 2 \ mathrm {O } \ leftrightarrow 1/3 \ {\ mathrm {Co}} _ 3 {\ mathrm {O}} _ 4 + 2/3 \ {\ mathrm {Li}} ^ {+} + 2/3 \ {\ mathrm {e} } ^ {\ hbox {-}} $$ (4)
Desempenho do ciclo eletroquímico de NiCo ₂ O ₄ amostra foi fornecida na Fig. 8a e o resultado indicou que uma capacidade reversível de 663 mAh g ⁻¹ foi alcançado em uma densidade de corrente de 100 mA g ⁻¹ após 100 ciclos de carga-descarga. O desempenho no ciclismo também foi comparável ao estudo anterior em NiCo ₂ puro O ₄ material. Por exemplo, armazenamento eletroquímico de lítio de NiCo ₂ hierárquico O ₄ matriz de nanofios tinha cerca de 413 mAh g ⁻¹ quando avaliado em 100 mA g ⁻¹ mais de 100 ciclos [5]. No entanto, quando NiCo ₂ O ₄ foi modificado com aditivos altamente condutores ou óxidos de metal, um melhor desempenho eletroquímico pode ser alcançado em comparação com NiCo ₂ puro O ₄ . Por exemplo, Chen et al. relatou estabilidade de ciclo de NiCoO puro ₂ foi significativamente melhorado pelo óxido de grafeno reduzido e uma alta capacidade reversível de 816 mAh g ⁻¹ foi alcançado com 80,1% de retenção de capacidade [21]. Além disso, Sun et al. relatou o desempenho de ciclismo de NiCoO poroso ₂ / O dedecaedro oco de NiO tinha cerca de 1535 mAh g ⁻¹ a 200 mA g ⁻¹ mais de 100 ciclos, equivalente a uma retenção de capacidade de 97,2% [22]. As eficiências Coulombic após a ativação inicial foram quase estabilizadas em ~ 100%, indicativo de alta reversibilidade eletroquímica. Conforme mostrado na Fig. 8b, as curvas de carga-descarga em diferentes ciclos também mostraram comportamentos distintos. Com ciclos de carga-descarga repetidos, é óbvio que as curvas de carga-descarga do 50º ciclo também eram idênticas aos ciclos iniciais, indicando vias de reação eletroquímica semelhantes nos primeiros 50 ciclos. No entanto, as curvas de carga-descarga do 100º ciclo mostraram comportamentos ligeiramente diferentes, sugerindo que o decaimento lento do material pode estar presente durante as reações de conversão anódica. Além disso, a capacidade de taxa na Fig. 8c mostrou que as capacidades médias de descarga de NiCo ₂ O ₄ medido nas densidades de corrente 100, 200, 500, 1000, 2000 e 3000 mA g ⁻¹ eram cerca de 1085, 1048, 926, 642, 261 e 86 mAh g ⁻¹ , respectivamente. Quando a densidade da corrente foi mudada para 100 mA g ⁻¹ , alta capacidade reversível de cerca de 1000 mAh g ⁻¹ ainda foi mantida, indicando que não houve decadência óbvia da capacidade reversível no teste de capacidade de taxa. Observe que a capacidade específica experimental de 1085 mAh g ⁻¹ alcançado a 100 mA g ⁻¹ foi maior do que o valor teórico (890 mAh g ⁻¹ ) Este fenômeno foi comumente observado em ânodos de óxido de metal de transição. A capacidade extra pode ser atribuída à formação reversível de filmes de polímero tipo gel e armazenamento interfacial de lítio, etc. [23, 24]. Na Fig. 8d, as curvas de carga-descarga típicas em diferentes densidades de corrente também sugeriram que a capacidade específica mostrou uma diminuição significativa com o aumento das densidades de corrente de carga-descarga de 100 a 3000 mA g ⁻¹ . O desempenho eletroquímico alcançado neste estudo foi melhor ou comparável com estudos anteriores sobre NiCo ₂ O ₄ à base de materiais. Por exemplo, Chen et al. relatou NiCo mesoporoso ₂ O ₄ nanofios entregaram capacidades reversíveis de 1215, 797 e 413 mAh g ⁻¹ em densidades de corrente de 200, 500 e 1000 mA g ⁻¹ , respectivamente [5]. A capacidade de taxa alcançada de NiCo ₂ O ₄ neste estudo também foi comparável com trabalhos anteriores em outros óxidos de metais de transição. Por exemplo, Lyu et al. relataram que as capacidades reversíveis de CuO oco nas densidades de corrente avaliadas de 100, 200, 500 e 1000 mA g ⁻¹ foram 629, 567, 488 e 421 mAh g ⁻¹ , respectivamente [25]. Deve-se mencionar que o desempenho da taxa de NiCo ₂ semelhante ao ouriço-do-mar O ₄ não era estável, particularmente em altas densidades de corrente. Este fenômeno foi provavelmente devido à natureza semicondutora do NiCoO original ₂ e destruição de unidades de construção (nanagulhas) por alta densidade de corrente. Da mesma forma, o desempenho da taxa C de NiCo esférico ₂ O ₄ e NiCo ₂ O ₄ nanofitas também eram instáveis em estudos anteriores, quando a densidade da corrente de carga-descarga foi alterada para ≥ 1000 mA g ⁻¹ [20, 26].

Observe que a flutuação da eficiência coulômbica também foi observada na medição da taxa C, particularmente nos pontos de mudança das densidades de corrente. Por exemplo, quando a densidade da corrente foi mudada de 1000 para 2000 mA g ⁻¹ , a eficiência coulômbica do 40º ciclo declinou repentinamente de 100 para cerca de 80%. Nos 9 ciclos seguintes, a eficiência coulômbica foi imediatamente estabilizada em cerca de 100%. A queda repentina da eficiência coulômbica pode estar relacionada à perda parcial de conectividade elétrica entre NiCo ₂ O ₄ materiais e rede condutiva por variação de volume no processo de carregamento, devido à alta densidade de corrente aplicada. Fenômenos semelhantes também foram relatados em estudos anteriores de taxa C em materiais anódicos para baterias recarregáveis [27, 28].

Para entender a natureza do NiCo ₂ O ₄ anodos, a análise EIS foi conduzida na faixa de frequência de 100 kHz a 0,01 Hz com amplitude de 5 mV. EIS foi amplamente empregado como uma ferramenta útil para revelar comportamentos eletroquímicos e processos de transferência de carga [29, 30]. Para NiCo ₂ O ₄ anodos testados com diferentes ciclos, os espectros EIS na Fig. 9 revelaram pequenos semicírculos e linhas retas nas regiões de alta e baixa frequência, respectivamente. Os pequenos semicírculos devem estar relacionados à resistência de transferência de carga entre o eletrodo e o eletrólito. As linhas retas indicavam a impedância de Warburg, que deve ser associada à difusão de estado sólido de Li ⁺ em NiCo ₂ O ₄ eletrodos [8]. As resistências de transferência de carga de NiCo ₂ fresco O ₄ eletrodo antes e depois de 5 ciclos eram quase idênticos, indicando nenhuma mudança óbvia na interface eletrodo / eletrólito. No entanto, após 10 ciclos, a resistência à transferência de carga tornou-se dominante nos processos eletroquímicos, conforme indicado por um maior diâmetro do semicírculo. Além disso, as linhas quase paralelas sugeriam o mesmo Li ⁺ de estado sólido comportamentos de difusão antes e depois dos testes de ciclagem. Portanto, a resistência de transferência de carga de NiCo ₂ O ₄ anodos podem desempenhar um papel relativamente importante no desempenho eletroquímico.

Neste estudo, o desempenho aprimorado do NiCo ₂ O ₄ deve ser atribuído às micro / nanoestruturas da morfologia semelhante ao ouriço-do-mar, em comparação com o trabalho anterior em nanoestruturas (por exemplo, nanofios mesoporosos). Basicamente, o desempenho do armazenamento de lítio foi associado ao transporte eficiente de íons e elétrons de lítio em ciclos de carga-descarga eletroquímica. A numerosa nanagulha, vista como a unidade de construção da estrutura semelhante a um ouriço-do-mar, pode melhorar muito o Li ⁺ de estado sólido comportamentos de difusão, devido ao comprimento da nanoescala encurtado. Além disso, as microesferas uniformes, consideradas como as partículas secundárias da estrutura semelhante à do ouriço-do-mar, podem aumentar significativamente os comportamentos de transporte de elétrons, devido à rede de transporte de elétrons de longo alcance. Os benefícios combinados de micro / nanoestruturas na estrutura do tipo ouriço-do-mar podem resultar em melhor desempenho eletroquímico do que nanoestruturas. No geral, o desempenho eletroquímico superior do NiCo ₂ O ₄ foi atribuída às propriedades físicas únicas da estrutura semelhante à do ouriço-do-mar, que foram adaptadas pela estratégia de automontagem impulsionada por carga assistida por PDDA. Esta estratégia proposta tem potencial na síntese fácil de materiais de armazenamento de energia para LIBs de próxima geração.

Conclusões

Concluindo, NiCo ₂ semelhante ao ouriço-do-mar O ₄ foram sintetizados com sucesso pela estratégia de automontagem orientada por carga com PDDA carregado positivamente, seguido por tratamento térmico. As moléculas carregadas desempenham um papel fundamental na formação da estrutura semelhante à do ouriço-do-mar, devido à adsorção eletrostática e ao impedimento estérico. Além disso, NiCo ₂ semelhante ao ouriço-do-mar O ₄ demonstrou grandes potenciais no armazenamento eletroquímico de lítio. O desempenho superior foi atribuído à estrutura única semelhante a um ouriço-do-mar do NiCo ₂ O ₄ para transporte aprimorado de elétrons e íons _. De modo geral, a estratégia de automontagem orientada por carga é uma rota atraente para sintetizar materiais de armazenamento de energia para baterias de íon-lítio de alto desempenho.