Development of a flexible anode for lithium-ion batteries from electrospun carbon-magnetite composite microfibers

Abstract

The development of a binder-free material is gaining ground as a flexible anode in lithium-ion batteries due to the higher specific capacity and possibilities of usage in portable appliances. In this work, magnetite nanoparticles (Fe3O4-NPs) were incorporated into carbon microfibers (CMFs) by electrospinning technique to improve the specific capacity of active material, retaining the high flexibility of the CMFs. The composite active material (CMFs-Fe3O4) was characterized by Raman spectroscopy, Thermogravimetric analyses (TGA), and transmission electron microscopy (TEM) to determine the composition, structure, and morphology of the composite. Electrochemical tests were done to evaluate the performance of the composite material as an anode in lithium-ion batteries. Fe3O4-NPs with particle sizes from 30 to 40 nm were incorporated into CMFs (800 nm), and the TEM images showed a homogeneous distribution of Fe3O4-NPs. The electrochemical tests evidenced that magnetite incorporation increases the specific capacity by 42% on the first cycle and 20% on the 50th cycle. Similarly, the Coulombic efficiency increases by 20% in the composite material. RESUMEN: El desarrollo de material libre de aglutinantes está ganando terreno como ánodo flexible en las baterías de iones de litio debido a la mayor capacidad específica y a las posibilidades de uso en aparatos portátiles. En este trabajo, las nanopartículas de magnetita (Fe3O4-NPs) se incorporaron a microfibras de carbono (CMFs) mediante la técnica de electrohilado para mejorar la densidad energética del material activo conservando la alta flexibilidad de las CMFs. El material activo compuesto (CMFs-Fe3O4) se caracterizó por espectroscopía Raman, análisis Revista Facultad de Ingeniería, Universidad de Antioquia, No. xx, pp. x-x, 20xx C. A. Velásquez et al.; Revista Facultad de Ingeniería, No. xx, pp. x-x, 20xx termogravimétricos (TGA) y microscopía electrónica de transmisión (TEM) para determinar la composición, estructura y morfología del compuesto. Se realizaron pruebas electroquímicas para evaluar el desempeño del material compuesto como ánodo en baterías de iones de litio. Se incorporaron Fe3O4-NP con un tamaño de partícula de 30-40 nm en CNF (800 nm) y las imágenes TEM mostraron una distribución homogénea de Fe3O4-NP. Las pruebas electroquímicas evidenciaron que la incorporación de magnetita aumenta la capacidad específica en un 42% en el primer ciclo y en un 20% en el ciclo 50. De la misma forma, la eficiencia coulómbica aumenta un 20% en el material compuesto.