제어 가능한 구 합성

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 14413(2022) 이 기사 인용

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높은 비축전용량과 급속 충방전 능력을 갖춘 에너지 저장 전극 소재의 제조는 최근 몇 년 동안 필수이자 주요 관심사가 되었습니다. 본 연구에서는 3차원 니켈 폼(3DNF)의 표면에 성장한 구 모양의 상호 연결된 바인더가 없는 황화니켈(NiS)을 다양한 용매를 포함한 최적화된 합성 조건에서 1단계 용매열 방법으로 제조했습니다. 황의 양 및 실험적 반응 시간. 제작된 바인더가 없는 SS-NiS@3DNF-E 전극은 다양한 분광 및 현미경 기술로 특성화되었으며 반전지 조립 셀에서 비교 전기화학적 초용량 성능에 대해 추가로 평가되었습니다. 최적화된 구 모양으로 상호 연결되고 바인더가 없는 SS-NiS@3DNF-E-3 전극은 SS-NiS@3DNF-E-1(188.0 F/g), SS-NiS@3DNF-E-1에 비해 694.0 F/g의 뛰어난 비축전용량을 나타냈습니다. NiS@3DNF-E-2(470.0 F/g) 및 SS-NiS@3DNF-E-4(230.0 F/g)는 물론 6700회 연속 충방전 주기 후 최대 88%의 우수한 사이클링 안정성을 제공합니다. 250.93W/kg의 전력 밀도에서 24.9Wh/kg의 에너지 밀도. 얻은 결과는 상호 연결된 바인더가 없는 NiS@니켈 전극이 에너지 저장 응용 분야의 잠재적인 후보임을 보여줍니다.

최근에는 화석연료 고갈, 차량용 동력용 에너지 수요 증가, 소형 전자기기 시장 성장으로 인해 환경오염, 기후변화 등 환경 문제가 더욱 부각되고 있습니다1,2. 따라서 사회는 태양 에너지, 풍력, 지열 에너지1,2,3,4를 포함한 지속 가능하고 재생 가능한 에너지원으로 전환하고 있습니다. 그러나 이러한 소스는 특정 시간, 맑은 날이나 비가 오는 날 등의 조건, 위치로 제한됩니다. 이에 따라 배터리, 전기화학적 슈퍼커패시터(ES), 연료전지 등 청정에너지 전환 및 저장 기술이 많은 주목을 받고 있다. 이러한 기술은 태블릿, 스마트폰, 카메라, 하이브리드 차량에 사용되며 일상생활에서 에너지원으로 중요한 역할을 합니다1,2,3,4,5,6.

슈퍼커패시터(SC)는 높은 전력밀도, 뛰어난 사이클 안정성, 빠른 충방전 속도, 저렴한 비용 등으로 최근 전력 분야에서 많은 주목을 받고 있다. 또한 에너지 저장 용량이 높은 배터리와 에너지 밀도가 높은 기존 커패시터 사이에 SC를 배열하면 다양한 응용 분야에서 전기화학적 성능이 향상됩니다5,6. ES는 트럭 및 버스용 하이브리드 플랫폼, 풍력 터빈 및 태양열 재생 에너지 시스템, 펄스 레이저 기술, 휴대폰1,2,6과 같이 짧은 기간에 상당한 양의 에너지를 저장할 수 있는 장치에 사용됩니다. 최초의 ES는 1957년 Beaker가 제출한 특허에서 보고되었으며, 이는 넓은 표면적 탄소를 기반으로 한 커패시터를 지정했습니다7. SC는 에너지 저장 메커니즘에 따라 전기 이중층 커패시터(EDLC), 의사 커패시터, 두 가지 유형의 커패시터를 결합한 하이브리드 SC의 세 가지 유형으로 분류됩니다. EDLC에서는 전극의 이온이 전해질과 정전기적으로 상호 작용하는 흡착/탈착 과정을 통해 에너지가 저장됩니다6,8. 유사 커패시터에서 전하는 충전/방전 과정에서 발생하는 산화환원 반응을 통해 저장됩니다9,10,11,12. 또한 SC는 동일하거나 다른 전극 재료가 사용되는 경우 전극 구성에 따라 대칭 또는 비대칭으로 분류됩니다8,9,13. SC의 성능은 전극에 사용되는 재료에 의해 크게 영향을 받습니다. 활성탄(AC), 그래핀, 탄소나노튜브(CNT)와 같은 탄소 기반 재료는 일반적으로 정전용량이 낮지만 수명이 길고 전기 전도성이 강하기 때문에 EDLC에 활용됩니다1,5. 대조적으로, 유사 커패시터는 주로 금속 산화물(MO)과 전도성 폴리머를 사용합니다1,5. 산화루테늄(RuO2)은 높은 비축전용량, 긴 사이클 수명, 높은 이온 전도성으로 인해 가장 많이 연구된 전극 재료입니다. 그러나 SC에서의 사용은 높은 비용과 독성으로 인해 제한됩니다. 따라서 전이 MO와 그 수산화물은 산화망간(MnO2), 산화니켈(NiO), Ni(OH)2, 산화코발트(Co3O4), Co(OH)2, 산화바나듐(V2O5) 등 대체 물질로 사용된다. )1,2,3,4,14. 저렴한 비용, 친환경성, 우수한 이론적 비정전용량 및 낮은 저항으로 인해 이러한 재료는 고에너지 밀도 장치를 구성하는 데 유용합니다. 그러나 전이 금속 수산화물/산화물은 순환 안정성이 낮고 전도성이 낮아 전자 수송이 감소하고 이론 용량이 상대적으로 낮습니다2,3. 최근 SC 전극의 유망 재료로서 CoS2, FeS2, MnS, CuS 및 NiS와 같은 전이 금속 황화물(TMS)에 대한 연구가 크게 증가했습니다8,11,15,16 이는 산화물에 비해 장점이 있기 때문입니다. 비용 효율성, 낮은 환경 영향, 우수한 전기 전도도, 전기 화학적 활동을 위한 사이트를 제공하는 다양한 원자가 상태 및 더 높은 정전 용량과 같은 것입니다. 또한, 금속 황화물 기반 전극 재료의 모양, 크기 및 형태는 전기화학적 성능에 영향을 미칠 수 있습니다. 금속 황화물 및 수산화물을 기반으로 한 전극은 패러딕 반응 메커니즘에서 작동할 뿐만 아니라 가역적 산화환원 반응을 통해 전극 표면에 에너지를 저장합니다. 이는 이중층 기반 커패시터보다 더 나은 전기화학적 성능을 제공하는 주된 이유입니다. 예를 들어, 감소된 그래핀 산화물(rGO)을 갖는 MnS 복합재는 SC에 사용하기 위해 평가되었으며, 이 전극은 긴 사이클링 안정성과 높은 비정전 용량을 생성합니다. α-MnS/N-rGO는 Quan et al.18에 의해 비대칭 SC 응용 분야의 음극 전극 재료로 설계되었으며 800Wkg의 전력 밀도에서 27.7Whkg-1의 에너지 밀도를 전달했습니다. 황화구리(CuS)는 전극 재료로 사용되어 왔지만 낮은 에너지 밀도와 열악한 사이클링 안정성으로 인해 응용이 제한되어 개선되어야 합니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 높은 전력 밀도와 우수한 사이클링 안정성을 갖는 탄소 재료를 CuS 준비에 도입하면 SCs20의 성능을 향상시킬 수 있습니다. BoopathiRaja 등21은 CuS/rGO 복합 전극이 우수한 장기 순환 안정성(97% 유지)을 나타내며 2 Ag-1의 전류 밀도에서 1604 Fg-1 정전용량을 나타낸다고 밝혔습니다. 위의 모든 금속 기반 황화물 중에서 특히 NiS는 우수한 물리적, 화학적 특성과 Ni7S6, Ni9S8, α-NiS, β-NiS, Ni3S4 및 NiS2는 대부분 실온22,23,24에 존재합니다. 이러한 상 중에서 NiS(α-NiS, β-NiS)는 황화니켈 형태 중에서 가장 안정적이고 황이 풍부한 조합입니다. 상은 온도의 영향을 받으며, 낮은 온도에서는 능면체 결정 구조를 갖는 α-NiS가 나타나는 반면, 높은 온도에서는 육각형 형태의 β-NiS가 나타납니다. 따라서 NiS는 NiS를 차세대 에너지 저장 기반 전극 재료로 사용할 때 고려해야 할 주요 사항인 풍부한 황 구조와 상온에서 상 안정성을 나타내는 상태도를 기반으로 전극 용도로 선택됩니다. 이러한 이유로 NiS는 충방전 과정에서 높은 전도성, 열 안정성 및 느린 부피 팽창을 포함한 강력한 특성으로 인해 효과적인 전극 재료로 사용되었습니다. 높은 순환 안정성과 1529의 비정전용량을 나타내는 열수 방법을 사용하여 계층적 기하학적 구조를 가진 β-NiS(3D) 마이크로플라워 전극을 합성한 Bhagwan 등의 연구와 같이 다양한 형태를 가진 NiS에 대한 연구는 거의 보고되지 않았습니다. F/g. 마찬가지로 Naresh et al.22는 열수 처리를 통해 니켈 폼 위에 NiS를 제조하고 반응 시간을 변화시키고 용량 성능에서 NiS의 역할을 연구하여 다양한 형태를 갖는 NiS를 조사했습니다. Parveen et al.6은 열수 합성된 형상 제어 계층적 꽃 모양 황화니켈이 수성 전해질에서 89%의 높은 사이클링 유지율과 함께 603.9F/g의 우수한 비축전용량을 나타냈다고 보고했습니다. Guan et al.16과 Balakrishnan et al.26은 Ni(OH)2를 전구체로 사용하는 용매열 방법을 통해 미세 꽃과 유사한 NiS를 합성했습니다. 제작된 전극은 1 Ag-1 전류밀도에서 1122.7 Fg-1 비정전용량을 나타냈으며 100 사이클 후 우수한 사이클링 안정성을 나타냈습니다. NiS 시스템의 불안정한 구조와 유효 황 함량으로 인해 SC에서 NiS의 전기화학적 특성(커패시턴스, 사이클링 안정성)이 제한됩니다. 그 후, 이러한 문제를 해결하기 위해 연구자들은 다양한 조건에서 다양한 황 농도로 NiS를 합성하고 형태에 미치는 영향을 연구하여 우수한 성능을 달성하려고 시도했습니다.