還元型グラフェン酸化物複合負極材で効果的に内包された亜鉛フェライトを合成し、高速度リチウムイオン貯蔵用負極材として開発した

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J Colloid Interface Sci.2020 Jul;579:723-732. S0021-9797(20)30882-1. doi: 10.1016/j.jcis.2020.07.004.Epub 2020-07-05.

還元型グラフェン酸化物複合負極材で効果的に内包された亜鉛フェライトを合成し、高速度リチウムイオン貯蔵用負極材として開発した

Synthesis of a zinc ferrite effectively encapsulated by reduced graphene oxide composite anode material for high-rate lithium ion storage.

Qingke Tan
Chao Wang
Yangdi Cao
Xuehua Liu
Haijie Cao
Guanglei Wu
Binghui Xu

PMID: 32668358 DOI: 10.1016/j.jcis.2020.07.004.

抄録

導電性グラフェンシートで構成された三次元多孔質骨格を持つナノサイズの電気化学活物質を効果的に固定化することで、リチウムイオン貯蔵特性を向上させることができます。ここでは、還元型グラフェン酸化物（RGO）担持亜鉛フェライト（ZnFeO）複合負極材料（ZnFeO/RGO）を簡便かつ効果的な方法で作製した。まず、数層の酸化グラフェン（GO）シート上の酸素含有官能基と制御された量の金属亜鉛原子との間で酸化還元反応が起こります。その結果、ZnOナノ粒子はその場で核生成し、GOシート上に直接成長します。次に、豊富なFe原子によってGOシートが完全に還元され、ZnOナノ粒子に隣接して対応するγ-FeOナノ粒子が形成される。このステップでは、γ-FeO@ZnOナノ粒子がRGO層の間に効果的にカプセル化された3次元多孔質RGO支持フレームワークが構築されます。最後に、よく設計されたγ-FeO@ZnO/RGO中間生成物は、固体反応を可能にするために熱処理を受け、ZnFeO/RGO複合体を得ます。1.0A-gの高電流率で、ZnFeO/RGO複合体は、リチウムイオン電池の負極材料として500サイクル連続で1022 mAh-gの可逆容量を示します。また、本研究では、魅力的なリチウム貯蔵性能についての知見を得ることができた。

Effectively immobilizing nano-sized electrochemical active materials with a 3D porous framework constituted by conductive graphene sheets brings in enhanced lithium ion storage properties. Herein, a reduced graphene oxide (RGO) supported zinc ferrite (ZnFeO) composite anode material (ZnFeO/RGO) is fabricated by a simple and effective method. Firstly, redox reaction takes place between the oxygen-containing functional groups on few-layered graphene oxide (GO) sheets and controlled quantity of metallic Zn atoms. ZnO nanoparticles are in-situ nucleated and directly grow on GO sheets. Secondly, the GO sheets are completely reduced by abundant Fe atoms, and corresponding γ-FeO nanoparticles are formed neighboring the ZnO nanoparticles. In this step, 3D porous RGO supporting framework are constructed with γ-FeO@ZnO nanoparticles effectively encapsulated between the RGO layers. Finally, the well-designed γ-FeO@ZnO/RGO intermediate product undergoes a thermal treatment to allow a solid-state reaction and obtains the ZnFeO/RGO composite. At a high current rate of 1.0 A·g, the ZnFeO/RGO composite exhibits an inspiring reversible capacity of 1022 mAh·g for 500 consecutive cycles as anode material for lithium ion batteries. And the insight into the attractive lithium storage performance has been studied in this work.