Mesoporous metal oxide network anodes enabled bu phage-induced crbon nanomesh template for lithium ion battery

Abstract

현재 리튬이온 배터리에서 전이금속산화물은 흑연을 대체할 음극소재로서 큰 잠재력을 가지고 있지만 낮은 전자전도도, 충전 및 방전의 반복에 따른 급격한 부피 변화, 그리고 산화물 입자끼리 응집하면서 발생하는 용량 저하 및 고전류밀도에서의 급격한 용량 감소로 음극으로써 실용화에 문제를 겪고 있다. 이에 따라 본 연구에서는 그물 형태의 전도성 나노구조체를 이용하여 고출력 및 고에너지밀도의 전이금속산화물 음극을 개발하고자 하였다. M13 파지를 이용하여 단일벽 탄소나노튜브 나노 그물 구조체(나노메쉬)를 만들고 이를 Co3O4 성장 기판으로 삼았다. M13파지의 그래피틱 표면에 대한 접착력이 자가 조립 과정에서 단일 벽 탄소나노튜브간 응집을 방지하는 것을 확인했으며 이를 통해 만든 만든 나노 구조체를 나노메쉬로 명명했다. 이어서 나노 구조체 위에 전기화학적으로 Co3O4¬ 음극활물질을 합성했으며(Co3O4 / nanomesh) 표면적이 넓은 꽃 모양의 Co3O4가 관측되었다. 다양한 조성의 나노메쉬위에 올라간 Co3O4간의 비교를 거쳐 Co3O4 / 32:1 nanomesh의 경우 2A/g의 전류밀도에서 500회 충방전 이후 1283 mAh/g의 용량을 보여줌으로써 리튬이온배터리 음극으로써 우수한 성능을 확인하였다. 이 전략의 경우 나노메쉬위에 Co3O¬4 뿐만이 아니라 NiO, SnO2도 합성함으로써 다른 음극활물질용 금속산화물소재들에 대한 적용가능성을 제시했다.; Transition metal oxides (TMOs) have huge potential as anodes in lithium ion batteries (LIBs) due to high theoretical capacity compared to commercial graphite anode, but suffer from poor rate capability and cyclability due to the volume change during charge/discharge, particle aggregation, and inherent low electron conductivity. Continuous, network-structured template of electrically conductive material combined with elaborate morphology of active TMOs might resolve these challenges. As a representative, we demonstrate facile fabrication of M13 phage incorporated network of single walled carbon nanotubes as conductive core substrate for Co3O4 growth. Graphitic surface binding effect of M13 phage successfully de-bundled SWCNTs producing highly conductive porous network, which we named nanomesh. Subsequent potentiodynamic Co3O4 synthesis resulted in high-surface area flower-like Co3O4 on nanomesh (Co3O4 /nanomesh). The prepared Co3O4 /nanomesh showed superior performance as lithium ion battery anode, delivering a capacity higher than 1283 mA/g at a rate of 2 A/g for 500 cycles. The versatility of this strategy is also demonstrated by forming other transition oxide on the mesh (NiO, and SnO2).