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Utilizing Hidden Surfaces: End-Cap Removal of Carbon Nanotubes for Improved Lithium Storage

材料科学 锂(药物) 碳纳米管 电解质 纳米技术 化学工程 化学气相沉积 法拉第效率 杂原子 电化学 插层(化学) 碳纤维 复合材料 化学 电极 无机化学 戒指(化学) 复合数 有机化学 物理化学 内分泌学 工程类 医学
作者
Joon Kwon,Won Jun Lee,Sang Ouk Kim
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:123 (10): 6220-6228 被引量:4
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.8b10567
摘要

The end-cap removal of carbon nanotubes (CNTs) refers to the structural modification method that makes inner-core spaces and voids between walls accessible. Specifically, the accommodation of alkali metal cations in those hidden surfaces for electrochemical energy storage has been a challenging task. Here we present open-ended vertically aligned CNTs (VA-CNTs) as an ideal structure for Li+ accommodation, which were produced by chemical vapor deposition, followed by CF4 reactive ion etching. A model study suggests a link between Li+ capacity and the surface area, more specifically, allows us to estimate the amount of additional Li+ accommodation, which is 2.3 times increased after end-cap removal. The relatively high capacity (889 mAh/g) has confirmed that open-ended VA-CNTs are highly active for Li+ intercalation as well as exposing interior surfaces, which can be compared to the control (338 mAh/g). The microstructural change observation combined with spectroscopic studies reveals that poor Li+ reversibility stems from the solid–electrolyte interface (SEI) layer formation on the interior and exterior walls of the CNTs, which results in poor initial Coulombic efficiency (∼23.3%) and cyclic stability (48.6%) after 50 cycles. The significant capacity fades after the first cycle due to the accelerated formation of the SEI layer in the presence of a heteroatom, which degrades Li+ and electron mobility. The exposed inner-core space provides significant increased surface area as expected, but confined inner-core space leads to poor reversibility with channel blockage.

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