Sintesis NiCo2O4 Seperti Landak Laut melalui Strategi Perakitan Sendiri Berbasis Muatan untuk Baterai Lithium-Ion Berkinerja Tinggi
Abstrak
Dalam penelitian ini, sintesis hidrotermal NiCo mirip bulu babi2 O4 berhasil ditunjukkan oleh strategi perakitan mandiri yang digerakkan oleh muatan serbaguna menggunakan molekul poli (diallydimethylammonium chloride) (PDDA) bermuatan positif. Karakterisasi fisik menyiratkan bahwa mikrosfer mirip bulu babi dengan ukuran ~ 2,5 m dibentuk oleh perakitan sendiri berbagai nanoneedle dengan dimensi tipikal berdiameter ~ 100 nm. Studi kinerja elektrokimia mengkonfirmasi bahwa NiCo mirip bulu babi2 O4 menunjukkan kapasitas reversibel tinggi sebesar 663 mAh g
−1
setelah 100 siklus pada kerapatan arus 100 mA g
−1
. Kemampuan tingkat menunjukkan bahwa kapasitas rata-rata 1085, 1048, 926, 642, 261, dan 86 mAh g
−1
dapat dicapai pada 100, 200, 500, 1000, 2000, dan 3000 mA g
−1
, masing-masing. Performa elektrokimia yang sangat baik dianggap berasal dari mikro/struktur nano unik NiCo mirip bulu babi2 O4 , disesuaikan dengan molekul PDDA bermuatan positif. Strategi yang diusulkan memiliki potensi besar dalam pengembangan oksida logam transisi biner dengan mikro/struktur nano untuk aplikasi penyimpanan energi elektrokimia.
Pengantar
Spinel nikel kobaltit (NiCo2 O4 ) adalah salah satu oksida logam transisi biner (TMO) yang paling penting dengan aplikasi luas dalam pemisahan air elektro-katalitik, superkapasitor dan bahan baterai isi ulang, dll. [1,2,3,4,5,6,7]. Khususnya, spinel NiCo2 O4 , memiliki kapasitas spesifik teoretis (890 mAh g
−1
), dapat digunakan sebagai bahan anoda berkapasitas tinggi yang menjanjikan untuk penyimpanan litium elektrokimia, karena konduktivitas listrik dan aktivitas elektrokimia yang lebih tinggi daripada oksida monometalik (Co3 O4 dan NiO) [8, 9]. Namun, kinerja penyimpanan lithium NiCo2 O4 sangat bergantung pada struktur dan morfologi yang berbeda, yang menunjukkan efek signifikan pada stabilitas siklus dan kemampuan kecepatan.
Dalam beberapa tahun terakhir, berbagai NiCo2 O4 dengan morfologi yang menarik, termasuk nanowires [10], nanosheets [11], nanoflakes [12], nanobelts [12], sea urchin-like [13], dan struktur seperti bunga [14], telah disintesis dengan metode hidrotermal dan solvothermal. . Studi sebelumnya menunjukkan bahwa mikro/struktur nano memanifestasikan manfaat ganda dari dimensi skala mikro dan skala nano untuk meningkatkan transpor elektron dan ion, sehingga menghasilkan kinerja elektrokimia yang unggul [15, 16]. Secara umum, desain struktur NiCo2 O4 dengan mikro/strukturnano diarahkan dengan memilih reagen pengontrol morfologi yang sesuai. Zhang dkk. menggunakan polivinilpirolidon (PVP) untuk mensintesis NiCo2 O4 untuk mengontrol morfologi, berdasarkan koordinasi ion logam dengan gugus fungsi (misalnya, -N dan/atau C=O) dari pirolidon [17]. Namun, reagen pengarah struktur efektif yang terbatas layak untuk sintesis TMO biner dengan morfologi unik. Oleh karena itu, sangat diinginkan untuk mengeksplorasi reagen serbaguna untuk mensintesis NiCo2 O4 dengan struktur mikro/nano. Baru-baru ini, kami melaporkan reagen bermuatan positif, seperti diallyldimethylammonium chloride (DDA) dan homopolimernya, menunjukkan potensi dalam mensintesis Co3 O4 untuk baterai lithium-ion (LIB) [15, 16]. Namun, kami tidak mengetahui adanya TMO biner (mis., NiCo2 O4 ) dengan struktur mikro/nano yang disintesis oleh molekul bermuatan tersebut untuk aplikasi penyimpanan litium elektrokimia.
Di sini, kami melaporkan strategi perakitan mandiri berbasis biaya untuk NiCo2 O4 dengan struktur mirip bulu babi, diikuti dengan perlakuan panas. Molekul poli(diallydimethylammonium chloride) (PDDA) bermuatan positif dianggap sebagai reagen pengarah struktur penting dalam sintesis hidrotermal. NiCo mirip bulu babi2 O4 dengan mikro/struktur nano juga menunjukkan kinerja penyimpanan lithium yang unggul dalam siklus pengisian-pengosongan berulang. Jelas, ini adalah pekerjaan pertama pada sintesis perakitan mandiri yang digerakkan oleh muatan dari TMO biner dengan bantuan molekul organik bermuatan. Strategi baru ini diharapkan dapat membuka cara baru untuk mensintesis TMO biner dengan mikro/struktur nano baru untuk bahan penyimpan energi.
Metode
Sintesis NiCo Mirip Landak Laut2 O4
Dalam sintesis tipikal, 0,5 g nikel asetat tetrahidrat (≥ 99%), 1,0 g kobalt asetat tetrahidrat (≥ 98%), dan 3,0 g urea (99,5%) yang diterima dari Acros Organics dilarutkan dalam 55 mL air deionisasi, diikuti dengan menambahkan 5 g larutan PDDA (20 berat% dalam H2 O, Sigma-Aldrich). Larutan campuran dipindahkan dengan hati-hati ke dalam autoklaf baja tahan karat berlapis Teflon yang disegel dan ditempatkan dalam oven listrik yang dipertahankan pada suhu 120 °C selama 2 jam. Presipitasi yang dihasilkan dikumpulkan dengan filtrasi berbantuan vakum dan dicuci dengan air deionisasi selama tiga kali. Akhirnya, sampel yang disaring diperlakukan secara termal dalam tungku meredam pada 450 °C selama 2 jam. Sampel hitam hasil sintesis langsung digunakan dalam karakterisasi material dan evaluasi kinerja elektrokimia.
Karakterisasi Material dan Evaluasi Performa Elektrokimia
Fase kristal, morfologi material, struktur mikro, dan status valensi sampel yang disiapkan dicirikan oleh difraktometer sinar-X bubuk (XRD, Philips PW1830), mikroskop elektron pemindaian emisi medan (FE-SEM, Hitachi S4800), mikroskop elektron transmisi ( TEM, FEI Tecnai G
2
20 pemindaian), dan spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS, Model PHI5600), masing-masing. Studi konversi termal prekursor dilakukan pada analisis termogravimetri (TGA, Mettler Toledo) dan kalorimetri pemindaian diferensial (DSC, Mettler Toledo) di bawah atmosfer oksigen. Selain itu, luas permukaan spesifik dan distribusi ukuran pori NiCo2 O4 dilakukan pada penganalisis luas permukaan (Instrumen Quantachrome) oleh N2 isoterm adsorpsi-desorpsi pada 77 K. Luas permukaan spesifik dan distribusi ukuran pori masing-masing diperoleh dengan metode Brunauer–Emmett–Teller (BET) dan Barrett–Joyner–Halenda (BJH) multi-titik. Kinerja penyimpanan litium elektrokimia dan kemampuan kecepatan dievaluasi dalam sel tipe koin CR2025 dengan NiCo2 O4 sebagai elektroda kerja, logam litium sebagai elektroda lawan, membran mikropori (Celgard® 2400) sebagai pemisah, dan 1 M LiPF6 dalam 50 vol.% etilen karbonat dan 50 vol.% dimetil karbonat sebagai elektrolit. Elektroda kerja terdiri dari 80% NiCo aktif2 O4 bahan, 10% pengikat PVdF, dan 10% karbon konduktif SuperP. Analisis voltametri siklik (CV) diukur dalam rentang tegangan 0,005–3 V vs. Li
+
/Li dan spektrum impedansi elektrokimia (EIS) NiCo mirip bulu babi2 O4 anoda juga direkam pada stasiun elektrokimia (CorrTest® Instruments) dalam rentang frekuensi 100 kHz hingga 0,01 Hz dengan amplitudo 5 mV. Uji charge-discharge galvanostatik dilakukan pada sistem pengujian baterai (LAND CT2001A) pada suhu kamar. Performa bersepeda dilakukan pada kepadatan arus 100 mA g
−1
untuk 100 siklus dan uji kemampuan laju dilakukan dengan berbagai kepadatan arus mulai dari 100 mA g
−1
hingga 3000 mA g
−1
.
Hasil dan Diskusi
Pola XRD pada Gambar 1a menunjukkan bahwa produk yang disiapkan adalah NiCo kubik pusat wajah2 O4 kristalinitas dan kemurnian tinggi (PDF 02-1074). Puncak 2θ yang terletak di 31,1°, 36,6°, 44,6°, 55,3°, 59,0°, 64,7° ditetapkan untuk bidang kristal karakteristik (2 2 0), (3 1 1), (4 0 0), (4 2 2 ), (5 1 1), dan (4 4 0), berturut-turut. Selain itu, fase kristal dalam prekursor yang disiapkan terdiri dari Ni2 CO3 (OH)2 (PDF 35-0501), dan Co(CO3 )0,5 (OH)·0,11H2 O (PDF 48-0083), konsisten dengan penelitian sebelumnya [18]. Puncak 2θ pada 12,1°, 24,3°, 30,5°, 34,8°, dan 59,8° dapat dikaitkan dengan Ni2 CO3 (OH)2 bidang kristal (1 1 0), (1 3 0), (− 1 0 1), (− 2 0 1), dan (0 0 2) masing-masing. Puncak 2θ pada 17,5°, 33,8°, 39,5°, dan 47,3° dapat dikaitkan dengan Co(CO3 )0,5 (OH)·0,11H2 Bidang kristal O (0 2 0), (2 2 1), (2 3 1), dan (3 4 0), berturut-turut. Rupanya, keduanya Ni
2+
dan Co
2+
diendapkan oleh CO3
2−
dan OH
−
ion, dilepaskan dari dekomposisi urea pada kondisi hidrotermal [16]. Kurva TGA pada Gambar 1b menunjukkan bahwa suhu kalsinasi 450 °C sudah cukup untuk konversi termal fase campuran menjadi NiCo murni2 O4 , karena tidak ada kehilangan massa yang diamati setelah 450 °C. Selain itu, suhu konversi ditentukan menjadi 350 °C, yang menyebabkan hilangnya massa total 37 wt %.
a Pola XRD dari prekursor yang disiapkan dan NiCo2 O4 produk sebelum dan sesudah perlakuan panas pada 450 °C. b Analisis TGA prekursor di bawah atmosfer oksigen dengan laju pemanasan 10 °C min
−1
Analisis morfologi pada Gambar. 2a, b menyiratkan bahwa struktur prekursor mirip bulu babi berhasil diperoleh dengan perlakuan hidrotermal berbantuan PDDA. Setelah perlakuan termal pada 450 °C, morfologi mirip bulu babi dari NiCo2 O4 mikrosfer masih bisa dipertahankan, menunjukkan sifat yang kuat pada suhu tinggi. NiCo2 O4 mikrosfer biasanya berdiameter ~ 2,5 μm, terdiri dari banyak jarum nano dengan diameter rata-rata ~ 100 nm. Perhatikan bahwa molekul PDDA memainkan peran penting dalam pembentukan struktur mirip bulu babi. Pada awalnya, dekomposisi urea menyebabkan pembentukan CO3
2−
dan OH
−
memulai nukleasi Co
2+
dan Ni
2+
pada kondisi hidrotermal. Atom nitrogen di PDDA diberkahi dengan pasangan elektron bebas memungkinkan interaksi elektrostatik yang kuat dengan ion negatif. Oleh karena itu, permukaan inti kecil ini pertama kali ditempati oleh ion negatif ini (CO3
2−
dan OH
−
), menyebabkan adsorpsi elektrostatik molekul positif. Karena hambatan sterik, PDDA menyebabkan pertumbuhan kristal prekursor di sepanjang arah preferensial. Untuk meminimalkan energi permukaan, perakitan sendiri struktur nano melalui proses pematangan Ostwald spontan akhirnya terjadi, menghasilkan pembentukan struktur mirip bulu babi.
a , b Gambar FE-SEM yang khas dari prekursor mirip bulu babi dan NiCo2 O4 disintesis dengan 5 g larutan PDDA
Efek jumlah PDDA pada morfologi prekursor juga diselidiki dengan karakterisasi FE-SEM. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3, ketika larutan PDDA 2,5 g ditambahkan dalam sintesis hidrotermal, sampel prekursor yang disiapkan menunjukkan struktur bola yang sama dengan diameter 2~5 um. Banyak nanoneedles, dianggap sebagai unit bangunan, secara acak diatur ke dalam bola mikro/nanostruktur besar. Ketika jumlah PDDA ditingkatkan lebih lanjut menjadi 10 g, struktur seperti bulu babi dan struktur seperti jerami dapat ditemukan dengan jelas dalam prekursor hidrotermal. Efek PDDA pada orientasi kristal harus dikaitkan dengan sifat muatan permukaan inti kecil, yang dapat disesuaikan dengan jumlah molekul PDDA bermuatan positif. Jadi, larutan PDDA 5 g, yang setara dengan konsentrasi 16,7 mg L
−1
, adalah kondisi optimal untuk mensintesis struktur mirip bulu babi, karena orientasi pertumbuhan kristal preferensial.
Gambar FE-SEM tipikal dari prekursor yang disiapkan yang disintesis dengan jumlah larutan PDDA yang berbeda a, b 2,5 g; c, d 10 g
Struktur mikro mikrosfer yang dianalisis oleh TEM mengungkapkan bahwa struktur yang sangat berpori di NiCo2 O4 ditunjukkan oleh kontras putih/hitam yang jelas dan kristalinitas tinggi diyakinkan oleh bidang kisi yang jelas (Gbr. 4a, b). Ukuran rata-rata partikel primer adalah sekitar 10 nm. d -nilai spasi ~ 0.20 nm dan ~ 0.25 nm dianggap berasal dari bidang kristal (400) dan (311), masing-masing. Selain itu, ukuran pori rata-rata sekitar 10 nm. Analisis di atas menegaskan bahwa NiCo mirip bulu babi2 O4 berhasil disintesis oleh strategi perakitan mandiri yang digerakkan oleh muatan dengan perlakuan termal berikutnya.
a , b Gambar TEM NiCo mirip bulu babi2 O4 disintesis dengan 5 g larutan PDDA
Berdasarkan N2 isoterm adsorpsi-desorpsi, luas permukaan spesifik BET dan distribusi ukuran pori BJH NiCo2 O4 sampel sekitar 68,6 m
2
g
−1
dan 8,8 nm, masing-masing (Gbr. 5). Luas permukaan yang tinggi dan ukuran pori yang seragam menguntungkan untuk memperpendek panjang difusi ion dan mengurangi ekspansi volume dalam proses elektrokimia. Spektrum survei pada Gambar 6a menggambarkan keberadaan Ni, Co, O, dan C dalam produk. Data XPS resolusi tinggi dari Co2p pada Gambar. 6b menunjukkan bahwa koeksistensi Co
2+
dan Co
3+
spesies, seperti yang diungkapkan oleh Co2p yang pas3/2 puncak masing-masing terletak pada ~ 779.5 eV dan ~ 781.3 eV. Demikian pula, data XPS resolusi tinggi Ni 2p pada Gambar. 6c menyiratkan adanya Ni
2+
dan Ni
3+
, seperti yang disarankan oleh pemasangan Ni2p3/2 puncak berpusat di sekitar ~ 854.6 eV dan ~ 856.2 eV, masing-masing. Kehadiran puncak satelit juga mengkonfirmasi keberadaan Co
2+
dan Ni
2+
. Perhatikan bahwa pemisahan puncak untuk Co2p1/2 vs Co2p3/2 dan Ni2p1/2 vs Ni2p3/2 ditentukan menjadi 15,2 dan 17,3 eV, konsisten dengan penelitian sebelumnya [16, 19]. Beberapa keadaan valensi Co (+ 2, + 3) dan Ni (+ 2, + 3) dalam spinel NiCo2 O4 bermanfaat untuk reaksi konversi elektrokimia dalam proses pengisian-pengosongan.
a Isoterm adsorpsi dan desorpsi nitrogen dan b distribusi ukuran pori NiCo mirip bulu babi2 O4 disintesis dengan 5 g larutan PDDA
a Spektrum survei NiCo mirip bulu babi2 O4 . b , c Spektrum XPS resolusi tinggi dari Co2p dan Ni2p
Mekanisme konversi elektrokimia dan reversibilitas NiCo mirip bulu babi2 O4 diselidiki dengan analisis CV. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7, pada siklus pertama, dua puncak katodik berbeda yang terletak di sekitar 0,8 V dan 1,3 V menunjukkan reduksi elektrokimia Co
3+
ke Co
2+
, dan kemudian pengurangan Co
2+
dan Ni
2+
untuk spesies logam Co dan Ni, masing-masing [20]. Untuk proses anodik pertama, oksidasi elektrokimia logam Co dan Ni pada sekitar 1,4 dan 2,2 V akan menghasilkan pembentukan Co
2+
yang dapat dibalikkan. , Co
3+
, dan Ni
2+
spesies, yang akhirnya menghasilkan pembentukan NiCo2 O4 fase. Ada juga kemungkinan bahwa interfase elektrolit padat terbentuk pada siklus aktivasi pertama. Jelas, setelah proses aktivasi pada siklus pertama, reversibilitas yang baik dari reaksi redoks elektrokimia dapat diamati pada dua siklus berikutnya, seperti yang ditunjukkan oleh kurva CV yang tumpang tindih. Satu-satunya perbedaan adalah bahwa puncak reduksi utama bergeser dari 0,8 ke 1,0 V, konsisten dengan studi CV sebelumnya tentang NiCo2 O4 anoda [8]. Mekanisme rinci reaksi konversi elektrokimia juga dibahas dalam penelitian sebelumnya dan dapat dijelaskan sebagai berikut [20].
Analisis voltametri siklik (CV) NiCo mirip bulu babi2 O4 anoda dalam rentang tegangan 0,005–3,0 V dengan kecepatan pemindaian 0,01 mV s
−1
Performa siklus elektrokimia NiCo2 O4 sampel diberikan pada Gambar. 8a dan hasilnya menunjukkan bahwa kapasitas reversibel sebesar 663 mAh g
−1
dicapai pada kepadatan arus 100 mA g
−1
setelah 100 siklus pengisian-pengosongan. Performa bersepeda juga sebanding dengan penelitian sebelumnya tentang NiCo murni2 O4 bahan. Misalnya, penyimpanan litium elektrokimia dari NiCo hierarki2 O4 array nanowire sekitar 413 mAh g
−1
saat dievaluasi pada 100 mA g
−1
lebih dari 100 siklus [5]. Namun, ketika NiCo2 O4 dimodifikasi dengan aditif yang sangat konduktif atau oksida logam, kinerja elektrokimia yang lebih baik dapat dicapai dibandingkan dengan NiCo murni2 O4 . Misalnya, Chen dkk. melaporkan stabilitas siklus NiCoO murni2 ditingkatkan secara signifikan dengan pengurangan grafena oksida dan kapasitas reversibel tinggi sebesar 816 mAh g
−1
dicapai dengan retensi kapasitas 80,1% [21]. Juga, Sun et al. melaporkan kinerja bersepeda NiCoO berpori2 /NiO dedecahedron berongga sekitar 1535 mAh g
−1
pada 200 mA g
−1
lebih dari 100 siklus, setara dengan retensi kapasitas 97,2% [22]. Efisiensi Coulomb setelah aktivasi awal hampir stabil pada ~ 100%, menunjukkan reversibilitas elektrokimia yang tinggi. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 8b, kurva charge-discharge pada siklus yang berbeda juga menunjukkan perilaku yang berbeda. Dengan siklus charge-discharge berulang, jelas bahwa kurva charge-discharge dari siklus ke-50 juga identik dengan siklus awal, menunjukkan jalur reaksi elektrokimia yang serupa dalam 50 siklus pertama. Namun, kurva charge-discharge dari siklus ke-100 menunjukkan perilaku yang sedikit berbeda, menunjukkan bahwa peluruhan material yang lambat mungkin ada selama reaksi konversi anodik. Selain itu, kemampuan laju pada Gambar. 8c menunjukkan bahwa kapasitas debit rata-rata NiCo2 O4 diukur pada kepadatan arus 100, 200, 500, 1000, 2000, dan 3000 mA g
−1
sekitar 1085, 1048, 926, 642, 261, dan 86 mAh g
−1
, masing-masing. Saat kepadatan arus dialihkan ke 100 mA g
−1
, kapasitas reversibel tinggi sekitar 1000 mAh g
−1
masih dipertahankan, menunjukkan tidak ada penurunan kapasitas reversibel yang jelas dalam uji kemampuan laju. Perhatikan bahwa kapasitas spesifik eksperimental 1085 mAh g
−1
dicapai pada 100 mA g
−1
lebih tinggi dari nilai teoretis (890 mAh g
−1
). Fenomena ini umumnya diamati pada anoda oksida logam transisi. Kapasitas ekstra mungkin dianggap berasal dari pembentukan reversibel dari film polimer seperti gel dan penyimpanan litium antarmuka, dll. [23, 24]. Pada Gambar 8d, kurva pengisian-pengosongan tipikal pada kerapatan arus yang berbeda juga menunjukkan bahwa kapasitas spesifik menunjukkan penurunan yang signifikan dengan meningkatnya kerapatan arus pengisian-pengosongan dari 100 menjadi 3000 mA g
−1
. Kinerja elektrokimia yang dicapai dalam penelitian ini lebih baik atau sebanding dengan penelitian sebelumnya pada NiCo2 O4 -bahan berbasis. Misalnya, Chen dkk. NiCo mesopori yang dilaporkan2 O4 kawat nano menghasilkan kapasitas reversibel 1215, 797, dan 413 mAh g
−1
pada kepadatan arus 200, 500, dan 1000 mA g
−1
, masing-masing [5]. Kemampuan kecepatan yang dicapai NiCo2 O4 dalam penelitian ini juga sebanding dengan pekerjaan sebelumnya pada oksida logam transisi lainnya. Misalnya, Lyu et al. melaporkan bahwa kapasitas reversibel CuO berongga pada kepadatan arus yang dievaluasi 100, 200, 500, dan 1000 mA g
−1
adalah 629, 567, 488, dan 421 mAh g
−1
, masing-masing [25]. Harus disebutkan bahwa kinerja laju NiCo mirip bulu babi2 O4 tidak stabil, terutama pada kepadatan arus tinggi. Fenomena ini mungkin karena sifat semikonduktor dari NiCoO murni2 dan penghancuran unit bangunan (nanoneedles) oleh kepadatan arus yang tinggi. Demikian pula, kinerja tingkat-C dari NiCo bulat2 O4 dan NiCo2 O4 nanoribbons juga tidak stabil dalam penelitian sebelumnya, ketika kerapatan arus pengisian-pengosongan diubah menjadi 1000 mA g
−1
[20, 26].
a Performa bersepeda NiCo2 O4 diuji pada rapat arus 100 mA g
−1
. b Kurva charge-discharge khas NiCo2 O4 diuji pada 100 mA g
−1
untuk siklus 1, 10, 50, dan 100 c menilai kinerja kemampuan. d Kurva charge-discharge khas NiCo2 O4 diuji pada kepadatan arus yang berbeda mulai dari 100 hingga 3000 mA g
−1
Perhatikan bahwa fluktuasi efisiensi coulombik juga diamati dalam pengukuran laju-C, terutama pada titik perubahan kerapatan arus. Misalnya, saat kepadatan arus dialihkan dari 1000 ke 2000 mA g
−1
, efisiensi coulombik dari siklus ke-40 tiba-tiba menurun dari 100 menjadi sekitar 80%. Dalam 9 siklus berikut, efisiensi coulombik segera distabilkan di sekitar 100%. Penurunan efisiensi coulombik yang tiba-tiba mungkin terkait dengan hilangnya sebagian konektivitas listrik antara NiCo2 O4 bahan dan jaringan konduktif dengan variasi volume dalam proses pengisian, karena kerapatan arus tinggi yang diterapkan. Fenomena serupa juga dilaporkan dalam studi C-rate sebelumnya pada bahan anoda untuk baterai isi ulang [27, 28].
Untuk memahami sifat NiCo2 O4 anoda, analisis EIS dilakukan pada rentang frekuensi 100 kHz hingga 0,01 Hz dengan amplitudo 5 mV. EIS secara luas digunakan sebagai alat yang berguna untuk mengungkapkan perilaku elektrokimia dan proses transfer muatan [29, 30]. Untuk NiCo2 O4 anoda diuji dengan siklus yang berbeda, spektrum EIS pada Gambar. 9 mengungkapkan setengah lingkaran kecil dan garis lurus di daerah frekuensi tinggi dan rendah, masing-masing. Setengah lingkaran kecil harus berhubungan dengan hambatan transfer muatan antara elektroda dan elektrolit. Garis lurus menunjukkan impedansi Warburg, yang harus dikaitkan dengan difusi keadaan padat Li
+
di NiCo2 O4 elektroda [8]. Resistensi transfer muatan dari NiCo baru2 O4 elektroda sebelum dan sesudah 5 siklus hampir identik, menunjukkan tidak ada perubahan yang jelas pada antarmuka elektroda/elektrolit. Namun, setelah 10 siklus, resistansi transfer muatan menjadi dominan dalam proses elektrokimia, seperti yang ditunjukkan oleh diameter setengah lingkaran yang lebih besar. Selain itu, garis yang hampir sejajar menunjukkan keadaan padat yang sama Li
+
perilaku difusi sebelum dan sesudah tes bersepeda. Oleh karena itu, resistansi transfer muatan NiCo2 O4 anoda dapat memainkan peran yang relatif penting dalam kinerja elektrokimia.
Spektrum EIS NiCo mirip bulu babi2 O4 anoda setelah tes siklus yang berbeda dalam sel koin
Dalam studi ini, peningkatan kinerja NiCo2 O4 harus dikaitkan dengan mikro/strukturnano morfologi mirip bulu babi, dibandingkan dengan pekerjaan sebelumnya pada struktur nano (misalnya, kawat nano mesopori). Pada dasarnya, kinerja penyimpanan litium dikaitkan dengan pengangkutan ion litium dan elektron yang efisien dalam siklus pelepasan muatan elektrokimia. Banyak nanoneedle, yang dipandang sebagai unit bangunan dari struktur mirip bulu babi, dapat sangat meningkatkan keadaan padat Li
+
perilaku difusi, karena panjang skala nano yang diperpendek. Selain itu, mikrosfer yang seragam, yang dianggap sebagai partikel sekunder dari struktur mirip bulu babi, dapat secara signifikan meningkatkan perilaku transpor elektron, karena jaringan transpor elektron jarak jauh. Manfaat gabungan dari struktur mikro/nano dalam struktur mirip bulu babi dapat menghasilkan kinerja elektrokimia yang lebih baik daripada struktur nano. Secara keseluruhan, kinerja elektrokimia yang unggul dari NiCo2 O4 dianggap berasal dari sifat fisik unik dari struktur mirip bulu babi, yang disesuaikan dengan strategi perakitan mandiri yang digerakkan oleh PDDA. Strategi yang diusulkan ini berpotensi dalam sintesis bahan penyimpanan energi yang mudah untuk LIB generasi berikutnya.
Kesimpulan
Kesimpulannya, NiCo mirip bulu babi2 O4 berhasil disintesis oleh strategi perakitan mandiri yang digerakkan oleh muatan dengan PDDA bermuatan positif, diikuti oleh perlakuan termal. Molekul bermuatan memainkan peran penting dalam pembentukan struktur mirip bulu babi, karena adsorpsi elektrostatik dan hambatan sterik. Juga, NiCo yang mirip bulu babi2 O4 menunjukkan potensi besar dalam penyimpanan lithium elektrokimia. Performa superior dianggap berasal dari struktur unik mirip bulu babi dari NiCo2 O4 untuk transpor elektron dan ion yang ditingkatkan. Secara keseluruhan, strategi perakitan mandiri yang digerakkan oleh muatan adalah rute yang menarik untuk mensintesis bahan penyimpanan energi untuk baterai lithium-ion berperforma tinggi.
