Facile thermal oxidation and carbon coating strategy for fabricating a 3D Zn/ZnO@C anode

А. Муканова; Ж. Бакенов; А. Нурпеисова; Н. Исатаев; Е. Серик; М. Архарбекова

doi:10.32523/2616-6771-2025-152-3-92-105

Простая стратегия термического окисления и нанесения углеродного покрытия для получения 3D анода Zn/ZnO@C

Просмотры: 25 / Загрузок PDF: 12

Авторы

А. Муканова National Laboratory Astana, Астана, Казахстан; Институт аккумуляторов, Астана, Казахстан https://orcid.org/0000-0002-1171-176X
Ж. Бакенов National Laboratory Astana, Астана, Казахстан; Назарбаев университет, Астана, Казахстан; Институт аккумуляторов, Астана, Казахстан https://orcid.org/0000-0003-2781-4955
А. Нурпеисова National Laboratory Astana, Астана, Казахстан; Институт аккумуляторов, Астана, Казахстан https://orcid.org/0000-0002-9657-2964
Н. Исатаев Назарбаев университет, Астана, Казахстан https://orcid.org/0000-0003-4988-4014
Е. Серик National Laboratory Astana, Астана, Казахстан; Евразийский национальный университет имени Л.Н. Гумилева, Астана, Казахстан https://orcid.org/0009-0002-0222-9872
М. Архарбекова National Laboratory Astana, Астана, Казахстан; Евразийский национальный университет имени Л.Н. Гумилева, Астана, Казахстан https://orcid.org/0009-0002-4939-3645

DOI:

https://doi.org/10.32523/2616-6771-2025-152-3-92-105

Ключевые слова:

литий-ионная батарея, электрохимия, системы накопления энергии, электролиты, аккумуляторы с 3D-структурой

Аннотация

В настоящее время разработка высокоэффективных и стабильных анодных материалов для литий-ионных батарей (LIBs) является актуальной научной задачей. В данной работе методом термического окисления и карбонизации был синтезирован анод на основе Zn/ZnO в виде трёхмерной (3D) пористой пены, поверхность которого была покрыта углеродом с использованием полиэтиленоксида (PEO) в качестве прекурсора. Структура и состав электрода были охарактеризованы методами XRD, SEM, EDS и FTIR. Трёхмерная пористая архитектура способствует улучшенному переносу литиевых ионов и электронов, а также снижает влияние объёмного расширения. Углеродное покрытие повышает электропроводность ZnO и обеспечивает структурную стабильность материала в процессе циклирования. Электрохимические испытания показали, что электрод Zn/ZnO@C сохраняет стабильную удельную ёмкость около 380 мА·ч/г после 100 циклов при плотности тока 50 мА/г, тогда как необработанный электрод Zn/ZnO продемонстрировал лишь ~100 мА·ч/г. Полученные результаты подтверждают перспективность пеноматериалов Zn/ZnO с углеродным покрытием в качестве анодных материалов для литий-ионных батарей нового поколения.

Скачивания

Данные скачивания пока недоступны.

Библиографические ссылки

Abdelrazek, E.M., Abdelghany, A.M., Badr, S.I., Morsi, M.A. (2018). Structural, optical, morphological and thermal properties of PEO/PVP blend containing different concentrations of biosynthesized Au nanoparticles. Journal of Materials Research and Technology 7(4), 419–431. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2017.06.009

Arinova, A., Kalimuldina, G., Nurpeissova, A., Bakenov, Z. (2023). Electrophoretic Deposition of Poly(ethylene oxide) Gel-Polymer Electrolyte for 3D NiO/Ni Foam Anode Based Lithium-Ion Batteries. Journal of The Electrochemical Society 170(10), 100501. https://doi.org/10.1149/1945-7111/acfe3e

Bai, Z., Zhang, Y., Fan, N., Guo, C., Tang, B. (2014). One-step synthesis of ZnO@C nanospheres and their enhanced performance for lithium-ion batteries. Materials Letters 119, 16–19. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2013.12.060

Belliard, F., Irvine, J.T.S. (2001). Electrochemical performance of ball-milled ZnO±SnO2 systems as anodes in lithium-ion battery. Journal of Power Sources 97-98, 219-222. https://doi.org.10.1016/S0378-7753(01)00544-4

Cai, Z., Ou, Y., Wang, J., Xiao, R., Fu, L., Yuan, Z., Zhan, R., Sun, Y. (2020). Chemically resistant Cu–Zn/Zn composite anode for long cycling aqueous batteries. Energy Storage Materials 27, 205–211. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2020.01.032

Chou, H.S., Yang, K.Di, Xiao, S.H., Patil, R.A., Lai, C.C., Vincent Yeh, W.C., Ho, C.H., Liou, Y., Ma, Y.R. (2019). Temperature-dependent ultraviolet photoluminescence in hierarchical Zn, ZnO and ZnO/Zn nanostructures. Nanoscale 11(28), 13385–13396. https://doi.org/10.1039/c9nr05235f

Ding, Y., Sun, J., Liu, X. (2019). Carbon-decorated flower-like ZnO as high-performance anode materials for Li-ion batteries. Ionics 25(9), 4129–4136. https://doi.org/10.1007/s11581-019-02981-y

Gachot, G., Grugeon, S., Armand, M., Pilard, S., Guenot, P., Tarascon, J. M., Laruelle, S. (2008). Deciphering the multi-step degradation mechanisms of carbonate-based electrolyte in Li batteries. Journal of Power Sources 178(1), 409–421. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2007.11.110

Ghosh, M., Raychaudhuri, A.K. (2008). Ionic environment control of visible photoluminescence from ZnO nanoparticles. Applied Physics Letters 93(12). https://doi.org/10.1063/1.2987479

Hao, X.P., Xu, Z., Li, C.Y., Hong, W., Zheng, Q., Wu, Z.L. (2020). Kirigami-Design-Enabled Hydrogel Multimorphs with Application as a Multistate Switch. Advanced Materials 32(22). https://doi.org/10.1002/adma.202000781

Huang, X.H., Xia, X.H., Yuan, Y.F., Zhou, F. (2011). Porous ZnO nanosheets grown on copper substrates as anodes for lithium ion batteries. Electrochimica Acta 56(14), 4960–4965. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2011.03.129

Issatayev, N., Abdumutaliyeva, D., Tashenov, Y., Yeskozha, D., Seipiyev, A., Bakenov, Z., Nurpeissova, A. (2024). Three-dimensional carbon coated and high mass-loaded NiO@Ni foam anode with high specific capacity for lithium ion batteries. RSC Advances 14(54), 40069–40076. https://doi.org/10.1039/d4ra07119k

Issatayev, N., Adylkhanova, A., Salah, M., Bakenov, Z., Kalimuldina, G. (2024). Room temperature growth of NiS hierarchical nanoflowers on the flexible electrode surface as a cathode for lithium-ion batteries. Materials Letters 354. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2023.135341

Issatayev, N., Nuspeissova, A., Kalimuldina, G., Bakenov, Z. (2021). Three-dimensional foam-type current collectors for rechargeable batteries: A short review. Journal of Power Sources Advances 10. https://doi.org/10.1016/j.powera.2021.100065

Khac, V., Bui, H., Pham, T.N., Hur, J., Lee, Y.-C., Bui, V.K.H., Pham, T.N., Hur, J., Lee, Y., Julien, C.M. (2021). Review of ZnO Binary and Ternary Composite Anodes for Lithium-Ion Batteries. https://doi.org/10.3390/nano

Kumar, K.K., Ravi, M., Pavani, Y., Bhavani, S., Sharma, A.K., Narasimha Rao, V.V.R. (2014). Investigations on PEO/PVP/NaBr complexed polymer blend electrolytes for electrochemical cell applications. Journal of Membrane Science 454, 200–211. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2013.12.022

Li, N., Jin, S.X., Liao, Q.Y., Wang, C.X. (2014). ZnO anchored on vertically aligned graphene: Binder-free anode materials for lithium-ion batteries. ACS Applied Materials and Interfaces 6(23), 20590–20596. https://doi.org/10.1021/am507046k

Lin, J.H., Huang, Y.J., Su, Y.P., Liu, C.A., Devan, R.S., Ho, C.H., Wang, Y.P., Lee, H.W., Chang, C.M., Liou, Y., Ma, Y.R. (2012). Room-temperature wide-range photoluminescence and semiconducting characteristics of two-dimensional pure metallic Zn nanoplates. RSC Advances 2(5), 2123–2127. https://doi.org/10.1039/c2ra00972b

Liu, J., Li, Y., Huang, X., Li, G., Li, Z. (2008). Layered double hydroxide nano- and microstructures grown directly on metal substrates and their calcined products for application as Li-ion battery electrodes. Advanced Functional Materials 18(9), 1448–1458. https://doi.org/10.1002/adfm.200701383

Liu, Y., Zhu, Y., Cui, Y. (2019). Challenges and opportunities towards fast-charging battery materials. Nature Energy 4(7), 540–550. https://doi.org/10.1038/s41560-019-0405-3

Pramanik, S., Das, S., Karmakar, R., Irsad Ali, S., Mukherjee, S., Dey, S., Chandra Mandal, A., Meikap, A.K., Kuiri, P.K. (2023). Enhancement of UV luminescence in Zn/ZnO nanocomposites synthesized by controlled thermal oxidation of Zn nano-octahedrals. Journal of Luminescence 257. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2023.119746

Rahdar, A., Aliahmad, M., Azizi, Y. (2015). NiO Nanoparticles: Synthesis and Characterization. JNS 5.

Shen, X., Mu, D., Chen, S., Wu, B., Wu, F. (2013). Enhanced electrochemical performance of ZnO-loaded/porous carbon composite as anode materials for lithium ion batteries. ACS Applied Materials and Interfaces 5(8), 3118–3125. https://doi.org/10.1021/am400020n

Song, R., Zhang, N., Dong, H., Wang, P., Ding, H., Wang, J., Li, S. (2022). Self-standing three-dimensional porous NiO/Ni anode materials for high-areal capacity lithium storage. Materials and Design 215. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.110448

Srinivasa, N., Hughes, J.P., Adarakatti, P.S., Manjunatha, C., Rowley-Neale, S.J., Ashoka, S., Banks, C.E. (2021). Facile synthesis of Ni/NiO nanocomposites: The effect of Ni content in NiO upon the oxygen evolution reaction within alkaline media. RSC Advances 11(24), 14654–14664. https://doi.org/10.1039/d0ra10597j

Tarascon, J.-M., Armand, M. (2001). Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries.

Thauer, E., Zakharova, G.S., Andreikov, E.I., Adam, V., Wegener, S.A., Nölke, J.H., Singer, L., Ottmann, A., Asyuda, A., Zharnikov, M., Kiselkov, D.M., Zhu, Q., Puzyrev, I.S., Podval’naya, N.V., Klingeler, R. (2021). Novel synthesis and electrochemical investigations of ZnO/C composites for lithium-ion batteries. Journal of Materials Science 56(23), 13227–13242. https://doi.org/10.1007/s10853-021-06125-4

Tleukenov, Y.T., Kalimuldina, G., Arinova, A., Issatayev, N., Bakenov, Z., Nurpeissova, A. (2022). Polyacrylonitrile-Polyvinyl Alcohol-Based Composite Gel-Polymer Electrolyte for All-Solid-State Lithium-Ion Batteries. Polymers 14(23). https://doi.org/10.3390/polym14235327

Wang, X., Wang, Y., Wu, M., Fang, R., Yang, X., Wang, D.W. (2022). Ultrasonication-assisted fabrication of porous ZnO@C nanoplates for lithium-ion batteries. Microstructures 2(3). https://doi.org/10.20517/microstructures.2022.11

Zhang, X.Q., Cheng, X.B., Chen, X., Yan, C., Zhang, Q. (2017). Fluoroethylene Carbonate Additives to Render Uniform Li Deposits in Lithium Metal Batteries. Advanced Functional Materials 27(10). https://doi.org/10.1002/adfm.201605989