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Invernizzi R, Lemoine A, Madec L, Weill F, Dourges MA, Tang C, Giaume D, Baraille I, Taberna PL, Flahaut D, Olchowka J, Guerlou-Demourgues L. Composite Mn-Co electrode materials for supercapacitors: why the precursor's morphology matters! NANOSCALE ADVANCES 2022; 4:5089-5101. [PMID: 36504748 PMCID: PMC9680945 DOI: 10.1039/d2na00616b] [Citation(s) in RCA: 1] [Impact Index Per Article: 0.5] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Grants] [Track Full Text] [Download PDF] [Figures] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 09/09/2022] [Accepted: 10/06/2022] [Indexed: 06/17/2023]
Abstract
In the energy storage field, an electrode material must possess both good ionic and electronic conductivities to perform well, especially when high power is needed. In this context, the development of composite electrode materials combining an electrochemically active and good ionic conductor phase with an electronic conductor appears as a perfectly adapted approach to generate a synergetic effect and optimize the energy storage performance. In this work, three layered MnO2 phases with various morphologies (veils, nanoplatelets and microplatelets) were combined with electronic conductor cobalt oxyhydroxides with different platelet sizes (∼20 nm vs. 70 nm wide), to synthesize 6 different composites by exfoliation and restacking processes. The influence of precursors' morphology on the distribution of the Mn and Co objects within the composites was carefully investigated and correlated with the electrochemical performance of the final restacked material. Overall, the best performing restacked composite was obtained by combining MnO2 possessing a veil morphology with the smallest cobalt oxyhydroxide nanoplatelets, leading to the most homogeneous distribution of the Mn and Co objects at the nanoscale. More generally, the aim of this work is to understand how the size and morphology of the precursor building blocks influence their distribution homogeneity within the final composite and to find the most compatible building blocks to reach a homogeneous distribution at the nanoscale.
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Affiliation(s)
- Ronan Invernizzi
- Université Bordeaux, CNRS, Bordeaux INP, ICMCB UMR 5026 F-33600 Pessac France
- RS2E, Réseau Français sur le Stockage Electrochimique de l'Energie FR CNRS #3459 F-80039 Amiens Cedex 1 France
| | - Alexia Lemoine
- CNRS/Univ. Pau & Pays Adour/E2S UPPA, Institut des Sciences Analytiques et de Physicochimie pour l'Environnement et les Matériaux - UMR 5254 64000 Pau France
| | - Lénaïc Madec
- RS2E, Réseau Français sur le Stockage Electrochimique de l'Energie FR CNRS #3459 F-80039 Amiens Cedex 1 France
- CNRS/Univ. Pau & Pays Adour/E2S UPPA, Institut des Sciences Analytiques et de Physicochimie pour l'Environnement et les Matériaux - UMR 5254 64000 Pau France
| | - François Weill
- Université Bordeaux, CNRS, Bordeaux INP, ICMCB UMR 5026 F-33600 Pessac France
- RS2E, Réseau Français sur le Stockage Electrochimique de l'Energie FR CNRS #3459 F-80039 Amiens Cedex 1 France
| | - Marie-Anne Dourges
- Institut des Sciences Molaires, Univ. Bordeaux, UMR 5255 F-33405 Talence France
| | - Céline Tang
- Université Bordeaux, CNRS, Bordeaux INP, ICMCB UMR 5026 F-33600 Pessac France
- RS2E, Réseau Français sur le Stockage Electrochimique de l'Energie FR CNRS #3459 F-80039 Amiens Cedex 1 France
- Chimie-ParisTech, PSL Research University, CNRS Institut de Recherche de Chimie-Paris (IRCP) 75005 Paris France
| | - Domitille Giaume
- RS2E, Réseau Français sur le Stockage Electrochimique de l'Energie FR CNRS #3459 F-80039 Amiens Cedex 1 France
- Chimie-ParisTech, PSL Research University, CNRS Institut de Recherche de Chimie-Paris (IRCP) 75005 Paris France
| | - Isabelle Baraille
- RS2E, Réseau Français sur le Stockage Electrochimique de l'Energie FR CNRS #3459 F-80039 Amiens Cedex 1 France
- CNRS/Univ. Pau & Pays Adour/E2S UPPA, Institut des Sciences Analytiques et de Physicochimie pour l'Environnement et les Matériaux - UMR 5254 64000 Pau France
| | - Pierre Louis Taberna
- RS2E, Réseau Français sur le Stockage Electrochimique de l'Energie FR CNRS #3459 F-80039 Amiens Cedex 1 France
- ALISTORE-ERI European Research Institute FR CNRS #3104 Amiens F-80039 Cedex 1 France
- CIRIMAT, Université de Toulouse, CNRS, Université Toulouse 3 - Paul Sabatier 118 Route de Narbonne 31062 Toulouse Cedex 9 France
| | - Delphine Flahaut
- RS2E, Réseau Français sur le Stockage Electrochimique de l'Energie FR CNRS #3459 F-80039 Amiens Cedex 1 France
- CNRS/Univ. Pau & Pays Adour/E2S UPPA, Institut des Sciences Analytiques et de Physicochimie pour l'Environnement et les Matériaux - UMR 5254 64000 Pau France
| | - Jacob Olchowka
- Université Bordeaux, CNRS, Bordeaux INP, ICMCB UMR 5026 F-33600 Pessac France
- RS2E, Réseau Français sur le Stockage Electrochimique de l'Energie FR CNRS #3459 F-80039 Amiens Cedex 1 France
- ALISTORE-ERI European Research Institute FR CNRS #3104 Amiens F-80039 Cedex 1 France
| | - Liliane Guerlou-Demourgues
- Université Bordeaux, CNRS, Bordeaux INP, ICMCB UMR 5026 F-33600 Pessac France
- RS2E, Réseau Français sur le Stockage Electrochimique de l'Energie FR CNRS #3459 F-80039 Amiens Cedex 1 France
- ALISTORE-ERI European Research Institute FR CNRS #3104 Amiens F-80039 Cedex 1 France
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Olchowka J, Fang R, Bianchini Nuernberg R, Pablos C, Carlier D, Cassaignon S, Croguennec L. Particle nanosizing and coating with an ionic liquid: two routes to improve the transport properties of Na 3V 2(PO 4) 2FO 2. NANOSCALE 2022; 14:8663-8676. [PMID: 35670554 DOI: 10.1039/d2nr01080a] [Citation(s) in RCA: 1] [Impact Index Per Article: 0.5] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Track Full Text] [Subscribe] [Scholar Register] [Indexed: 06/15/2023]
Abstract
Na3V2(PO4)2FO2 is a promising candidate for practical use as a positive electrode material in Na-ion batteries thanks to its high voltage and excellent structural stability upon cycling. However, its limited intrinsic transport properties limit its performance at fast charge/discharge rates. In this work, two efficient approaches are presented to optimize the electrical conductivity of the electrode material: particle nanosizing and particle coating with an ionic liquid (IL). The former reveals that particle downsizing from micrometer to nanometer range improves the electronic conductivity by more than two orders of magnitude, which greatly improves the rate capability without affecting the capacity retention. The second approch dealing with an original surface modification by applying an IL coating strongly enhances the ionic mobility and offers new perspectives to improve the energy storage performance by designing the electrode materials' surface composition.
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Affiliation(s)
- Jacob Olchowka
- Univ. Bordeaux, CNRS, Bordeaux INP, ICMCB, UMR 5026, F-33600 Pessac, France.
- RS2E, Réseau Français sur le Stockage Electrochimique de l'Energie, CNRS 3459, 80039 Amiens Cedex 1, France
- ALISTORE-ERI European Research Institute, CNRS 3104, 80039 Amiens Cedex 1, France
| | - Runhe Fang
- RS2E, Réseau Français sur le Stockage Electrochimique de l'Energie, CNRS 3459, 80039 Amiens Cedex 1, France
- Sorbonne Université, CNRS, Laboratoire Chimie de la Matière Condensée de Paris, LCMCP, UMR 7574, 4 Place Jussieu, 75005 Paris, France
| | | | - Chloé Pablos
- Univ. Bordeaux, CNRS, Bordeaux INP, ICMCB, UMR 5026, F-33600 Pessac, France.
- RS2E, Réseau Français sur le Stockage Electrochimique de l'Energie, CNRS 3459, 80039 Amiens Cedex 1, France
- Laboratoire de Réactivité et de Chimie des Solides, Université de Picardie Jules Verne, CNRS-UMR 7314, F-80039 Amiens Cedex 1, France
| | - Dany Carlier
- Univ. Bordeaux, CNRS, Bordeaux INP, ICMCB, UMR 5026, F-33600 Pessac, France.
- RS2E, Réseau Français sur le Stockage Electrochimique de l'Energie, CNRS 3459, 80039 Amiens Cedex 1, France
- ALISTORE-ERI European Research Institute, CNRS 3104, 80039 Amiens Cedex 1, France
| | - Sophie Cassaignon
- RS2E, Réseau Français sur le Stockage Electrochimique de l'Energie, CNRS 3459, 80039 Amiens Cedex 1, France
- Sorbonne Université, CNRS, Laboratoire Chimie de la Matière Condensée de Paris, LCMCP, UMR 7574, 4 Place Jussieu, 75005 Paris, France
| | - Laurence Croguennec
- Univ. Bordeaux, CNRS, Bordeaux INP, ICMCB, UMR 5026, F-33600 Pessac, France.
- RS2E, Réseau Français sur le Stockage Electrochimique de l'Energie, CNRS 3459, 80039 Amiens Cedex 1, France
- ALISTORE-ERI European Research Institute, CNRS 3104, 80039 Amiens Cedex 1, France
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Invernizzi R, Guerlou-Demourgues L, Weill F, Lemoine A, Dourges MA, Baraille I, Flahaut D, Olchowka J. Controlled Nanostructuration of Cobalt Oxyhydroxide Electrode Material for Hybrid Supercapacitors. MATERIALS (BASEL, SWITZERLAND) 2021; 14:2325. [PMID: 33947167 PMCID: PMC8124577 DOI: 10.3390/ma14092325] [Citation(s) in RCA: 3] [Impact Index Per Article: 1.0] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Key Words] [Grants] [Track Full Text] [Download PDF] [Figures] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 03/30/2021] [Revised: 04/27/2021] [Accepted: 04/28/2021] [Indexed: 11/16/2022]
Abstract
Nanostructuration is one of the most promising strategies to develop performant electrode materials for energy storage devices, such as hybrid supercapacitors. In this work, we studied the influence of precipitation medium and the use of a series of 1-alkyl-3-methylimidazolium bromide ionic liquids for the nanostructuration of β(III) cobalt oxyhydroxides. Then, the effect of the nanostructuration and the impact of the different ionic liquids used during synthesis were investigated in terms of energy storage performances. First, we demonstrated that forward precipitation, in a cobalt-rich medium, leads to smaller particles with higher specific surface areas (SSA) and an enhanced mesoporosity. Introduction of ionic liquids (ILs) in the precipitation medium further strongly increased the specific surface area and the mesoporosity to achieve well-nanostructured materials with a very high SSA of 265 m2/g and porosity of 0.43 cm3/g. Additionally, we showed that ILs used as surfactant and template also functionalize the nanomaterial surface, leading to a beneficial synergy between the highly ionic conductive IL and the cobalt oxyhydroxide, which lowers the resistance charge transfer and improves the specific capacity. The nature of the ionic liquid had an important influence on the final electrochemical properties and the best performances were reached with the ionic liquid containing the longest alkyl chain.
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Affiliation(s)
- Ronan Invernizzi
- CNRS, University of Bordeaux, Bordeaux INP, ICMCB UMR CNRS #5026, F-33600 Pessac, France; (R.I.); (L.G.-D.); (F.W.)
- RS2E, Réseau Français sur le Stockage Electrochimique de l’Energie, FR CNRS #3459, CEDEX 1, F-80039 Amiens, France;
| | - Liliane Guerlou-Demourgues
- CNRS, University of Bordeaux, Bordeaux INP, ICMCB UMR CNRS #5026, F-33600 Pessac, France; (R.I.); (L.G.-D.); (F.W.)
- RS2E, Réseau Français sur le Stockage Electrochimique de l’Energie, FR CNRS #3459, CEDEX 1, F-80039 Amiens, France;
- ALISTORE-ERI European Research Institute, FR CNRS #3104, CEDEX 1, F-80039 Amiens, France
| | - François Weill
- CNRS, University of Bordeaux, Bordeaux INP, ICMCB UMR CNRS #5026, F-33600 Pessac, France; (R.I.); (L.G.-D.); (F.W.)
- RS2E, Réseau Français sur le Stockage Electrochimique de l’Energie, FR CNRS #3459, CEDEX 1, F-80039 Amiens, France;
| | - Alexia Lemoine
- CNRS/University of Pau and Pays de l’Adour/E2S UPPA, Institut des Sciences Analytiques et de Physicochimie pour l’Environnement et les Matériaux—UMR 5254, F-64000 Pau, France; (A.L.); (I.B.)
| | - Marie-Anne Dourges
- Institut des Sciences Molaires, University of Bordeaux, UMR 5255, F-33405 Talence, France;
| | - Isabelle Baraille
- CNRS/University of Pau and Pays de l’Adour/E2S UPPA, Institut des Sciences Analytiques et de Physicochimie pour l’Environnement et les Matériaux—UMR 5254, F-64000 Pau, France; (A.L.); (I.B.)
| | - Delphine Flahaut
- RS2E, Réseau Français sur le Stockage Electrochimique de l’Energie, FR CNRS #3459, CEDEX 1, F-80039 Amiens, France;
- CNRS/University of Pau and Pays de l’Adour/E2S UPPA, Institut des Sciences Analytiques et de Physicochimie pour l’Environnement et les Matériaux—UMR 5254, F-64000 Pau, France; (A.L.); (I.B.)
| | - Jacob Olchowka
- CNRS, University of Bordeaux, Bordeaux INP, ICMCB UMR CNRS #5026, F-33600 Pessac, France; (R.I.); (L.G.-D.); (F.W.)
- RS2E, Réseau Français sur le Stockage Electrochimique de l’Energie, FR CNRS #3459, CEDEX 1, F-80039 Amiens, France;
- ALISTORE-ERI European Research Institute, FR CNRS #3104, CEDEX 1, F-80039 Amiens, France
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Olchowka J, Nguyen LHB, Petit E, Camacho PS, Masquelier C, Carlier D, Croguennec L. Ionothermal Synthesis of Polyanionic Electrode Material Na3V2(PO4)2FO2 through a Topotactic Reaction. Inorg Chem 2020; 59:17282-17290. [DOI: 10.1021/acs.inorgchem.0c02546] [Citation(s) in RCA: 6] [Impact Index Per Article: 1.5] [Reference Citation Analysis] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Indexed: 11/28/2022]
Affiliation(s)
- Jacob Olchowka
- CNRS, Univ. Bordeaux, Bordeaux INP, ICMCB UMR 5026, F-33600, Pessac, France
- RS2E, Réseau Français sur le Stockage Electrochimique de l’Energie, FR CNRS 3459, F-80039 Amiens Cedex 1, France
- ALISTORE-ERI European Research Institute, FR CNRS 3104, Amiens, F-80039 Cedex 1, France
| | - Long H. B. Nguyen
- CNRS, Univ. Bordeaux, Bordeaux INP, ICMCB UMR 5026, F-33600, Pessac, France
- RS2E, Réseau Français sur le Stockage Electrochimique de l’Energie, FR CNRS 3459, F-80039 Amiens Cedex 1, France
- Laboratoire de Réactivité et de Chimie des Solides, CNRS-UMR no. 7314, Université de Picardie Jules Verne, F-80039 Amiens Cedex 1, France
| | - Emmanuel Petit
- CNRS, Univ. Bordeaux, Bordeaux INP, ICMCB UMR 5026, F-33600, Pessac, France
- RS2E, Réseau Français sur le Stockage Electrochimique de l’Energie, FR CNRS 3459, F-80039 Amiens Cedex 1, France
| | - Paula Sanz Camacho
- CNRS, Univ. Bordeaux, Bordeaux INP, ICMCB UMR 5026, F-33600, Pessac, France
| | - Christian Masquelier
- RS2E, Réseau Français sur le Stockage Electrochimique de l’Energie, FR CNRS 3459, F-80039 Amiens Cedex 1, France
- ALISTORE-ERI European Research Institute, FR CNRS 3104, Amiens, F-80039 Cedex 1, France
- Laboratoire de Réactivité et de Chimie des Solides, CNRS-UMR no. 7314, Université de Picardie Jules Verne, F-80039 Amiens Cedex 1, France
| | - Dany Carlier
- CNRS, Univ. Bordeaux, Bordeaux INP, ICMCB UMR 5026, F-33600, Pessac, France
- RS2E, Réseau Français sur le Stockage Electrochimique de l’Energie, FR CNRS 3459, F-80039 Amiens Cedex 1, France
- ALISTORE-ERI European Research Institute, FR CNRS 3104, Amiens, F-80039 Cedex 1, France
| | - Laurence Croguennec
- CNRS, Univ. Bordeaux, Bordeaux INP, ICMCB UMR 5026, F-33600, Pessac, France
- RS2E, Réseau Français sur le Stockage Electrochimique de l’Energie, FR CNRS 3459, F-80039 Amiens Cedex 1, France
- ALISTORE-ERI European Research Institute, FR CNRS 3104, Amiens, F-80039 Cedex 1, France
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