[論文レビュー] Mn3O4-Graphene Hybrid as a High Capacity Anode Material for Lithium Ion Batteries

Hailiang Wang, Lifeng Cui+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2010

Advancements in Battery Materials被引用数 33

ひとこと要約

本研究では、溶液プロセスを用いた合成により、Mn3O4-グラフェンハイブリッドアノードを構築した。ここで、Mn3O4ナノ粒子が還元グラフェン酸化物（RGO）シート上に選択的に成長し、効率的な電子移動を可能にした。ハイブリッド材料は、理論的容量に近い約900 mAh/gの高い比容量を達成し、強い界面結合のおかげで優れたレート性能とサイクル安定性を示した。

ABSTRACT

We developed two-step solution-phase reactions to form hybrid materials of Mn3O4 nanoparticles on reduced graphene oxide (RGO) sheets for lithium ion battery applications. Mn3O4 nanoparticles grown selectively on RGO sheets over free particle growth in solution allowed for the electrically insulating Mn3O4 nanoparticles wired up to a current collector through the underlying conducting graphene network. The Mn3O4 nanoparticles formed on RGO show a high specific capacity up to ~900mAh/g near its theoretical capacity with good rate capability and cycling stability, owing to the intimate interactions between the graphene substrates and the Mn3O4 nanoparticles grown atop. The Mn3O4/RGO hybrid could be a promising candidate material for high-capacity, low-cost, and environmentally friendly anode for lithium ion batteries. Our growth-on-graphene approach should offer a new technique for design and synthesis of battery electrodes based on highly insulating materials.

研究の動機と目的

• リチウムイオン電池（LIB）用に、Mn3O4とグラフェンを用いた高容量・低コストアノード材料の開発を目的とする。
• Mn3O4の低い電気伝導性を、導電性グラフェンネットワークと統合することで克服することを目的とする。
• 還元グラフェン酸化物（RGO）シート上でのMn3O4ナノ粒子の制御された成長を通じて、効率的な電子移動と構造的安定性を実現することを目的とする。
• 高容量、レート性能、サイクル安定性を含む、向上した電気化学的特性を実証することを目的とする。
• 絶縁性の変換アノード材料を、導電性2次元基板上に直接成長させることで、一般化可能な合成戦略を確立することを目的とする。

提案手法

• 還元グラフェン酸化物（RGO）シート上にMn3O4ナノ粒子を合成するために、2段階の溶液プロセス反応を採用した。
• Mn3O4のRGO表面への選択的核生成を活用し、溶液中での自由粒子の形成を防止した。
• 導電性RGOネットワークを活用して、Mn3O4ナノ粒子を電流コレクタに電気的に接続した。
• Mn3O4とRGOの間の密接な界面接触を確保するため、成長プロセスを制御した。
• X線回折、電子顕微鏡、ラマン分光法を用いて、ハイブリッド構造の形態と組成を同定した。
• ガルバノスタット式充放電サイクリング、サイクルボルタメトリー、レート性能試験を用いて、電気化学的特性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RGO上に成長したMn3O4ナノ粒子は、電気伝導性を維持したまま、高リチウムイオン貯蔵容量を達成できるか？
• RQ2 RGO上へのMn3O4の選択的成長は、自由なMn3O4粒子と比較して、電気化学的特性にどのような影響を与えるか？
• RQ3 RGOネットワークは、Mn3O4ベースのアノードにおいて、電子移動と構造的安定性をどの程度向上させるか？
• RQ4 Mn3O4/RGOハイブリッド材料の容量保持率とレート性能は、長時間にわたる充放電サイクルにおいてどのように変化するか？
• RQ5 グラフェン上への成長アプローチは、他の絶縁性変換アノード材料に対しても一般化可能か？

主な発見

• Mn3O4/RGOハイブリッド材料は、比容量約900 mAh/gを達成し、Mn3O4の理論的容量に近づいた。
• ハイブリッド材料は、多数の充放電サイクルにわたって最小限の容量低下を示し、優れたサイクル安定性を示した。
• 高いレート性能が観察され、RGOネットワークを通じた効果的な電子移動が示された。
• RGO上へのMn3O4の選択的成長により、凝集が防止され、ナノ粒子の均一な分散が確保された。
• Mn3O4とRGOの強い界面相互作用により、構造的整合性と電気化学的特性が向上した。
• 2段階の溶液プロセスを用いた合成法により、ハイブリッドアノード材料のスケーラブルかつ制御可能な製造が可能になった。