
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Outeurs: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 In Hyuk Son Jong Hwan Park Seongyong Park Kwangjin Park Sangil Han Jaeho Shin Seok-Gwang Doo Yunil Hwang Hyuk Chang Jang Wook Choi Opsomming Om een eienskap te verbeter sonder om ander in te boet, is uitdagend vir litium-ioonbatterye weens die afruil aard onder sleutelparameters. Hier rapporteer ons 'n chemiese dampafsettingsproses om 'n grafiet–silika samestelling te laat groei, 'n grafietbal genoem. Sy hiërargiese driedimensionele struktuur met die silikonoksied nanopartikel sentrum laat selfs 1 wt% grafietbal egalig op 'n nikkel-ryke gelaagde katode aanbring via skaalbare Nobilta-maling. Die grafietbalbedekking verbeter sikluslewe en vinnige laaivermoë deur skadelike newereaksies te onderdruk en doeltreffende geleidende paaie te voorsien. Die grafietbal self dien ook as 'n anode-materiaal met 'n hoë spesifieke kapasiteit van 716.2 mAh g−1. 'n Volledige sel wat grafietballe insluit, verhoog die volumetriese energiedigtheid met 27.6% vergeleke met 'n beheersel sonder grafietballe, wat die moontlikheid toon om 800 Wh L−1 in 'n kommersiële selinstelling te bereik, tesame met 'n hoë sikliseerbaarheid van 78.6% kapasiteitbehoud na 500 siklusse teen 5C en 60 °C. Inleiding Die deurlopende ontwikkeling van litium-ioonbatterye (LIB's) het tot merkwaardige verbeterings gelei in verskeie aspekte van hul werking, insluitend energiedigtheid, kragdigtheid, sikluslewe en veiligheid. Tans maak mobiele IT-toestelle 'n beduidende deel van LIB-toepassings uit, waar die operasionele spesifikasies van huidige toonaangewende LIB's meestal bevredigend is , , . Nietemin, namate elektriese voertuie (EV's) LIB-markte penetreer het, het sleutel elektrochemiese eienskappe meer uitdagende standaarde gestel; hoër energiedigthede word verlang vir verhoogde ry-afstand, terwyl verbeterde reaksiekinetika benodig word vir vinnige laai en hoë-koersbedrywighede. Veiligheid is ook beslis 'n kritieke faktor vir EV-toepassings. 'n Formidabele uitdaging lê daarin om die afruilverhouding onder hierdie sleuteleienskappe te oorkom; dit is gewoonlik nie triviaal om een eienskap te verbeter sonder om ander in te boet nie. 1 2 3 So 'n afruilverhouding is veral duidelik tussen energiedigtheid en vinnige laai (of kragvermoë). Terwyl die gebruik van nanomateriale as aktiewe komponente ,  en die insluiting van koolstofnanomateriale , ,  as geleidende middels verbeterde laaispoed getoon het deur die afstand van ioon-diffusie en interne weerstand te verminder, vereis die meeste van hierdie benaderings nog verdere verbetering voordat hulle in huidige LIB-tegnologie geïmplementeer kan word. Die tik-digthede van nanomateriale is veel laer as dié van konvensionele mikro-deeltjies, wat nadelig is vir volumetriese energiedigtheid, 'n deurslaggewende faktor vir baie LIB-toepassings as die gravimetriese eweknie. In 'n soortgelyke konteks ten opsigte van die vermindering van interne weerstand, het die integrasie van koolstofnanomateriale soos grafiet effektief geblyk te wees in die verhoging van die elektriese geleidbaarheid van labskaal-elektrodes. Nietemin, die verkryging van 'n uniforme verspreiding van 'n klein gewigsgehalte (d.w.s. <3 wt%) van koolstofnanomateriale in 'n grootskaalse slyp proses moet nog gedemonstreer word. Die modifikasie van bestaande aktiewe materiale deur doteer met vreemde elemente ,  of stoïgiometriese beheer , ,  kan ook die diffusiteit van Li-ione verhoog en sodoende die laaispoed van konvensionele aktiewe materiale met mikrometerafmetings. Die meeste van hierdie benaderings is egter effektief ten koste van spesifieke kapasiteit. 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Verder, benewens energiedigtheid en vinnige laai, bly die bereiking van lang sikluslewe, veral by hoë temperature (d.w.s. 60 °C), 'n uitdaging vir gevorderde LIB's wat hoë-kapasiteit katodemateriale insluit. Terwyl nikkel (Ni)-ryke en Li-ryke gelaagde oksiedmateriale beskou word as opkomende katodemateriale weens hul superieure spesifieke kapasiteite vergeleke met dié van klassieke LiCoO2 eweknieë, is dit welbekend dat die onvermydelike kation-menging tydens laai die gelaagde raamwerk degradeer tot spinel- of rotsoutstrukture, tesame met ongewenste newereaksies aan die katode-oppervlak. Gesien die pogings wat tot dusver aangewend is, behels een van die mees realistiese oplossings vir onmiddellike bereiking van vinnige laai van katodemateriale met 'n verwaarloosbare verlies aan energiedigtheid en sikluslewe, die vind van geleidende beskermende materiale wat uniform op die aktiewe materiale met 'n minimale inhoud aangebring kan word. Die vind van gevorderde anodemateriale is ook noodsaaklik omdat huidige grafietanodes ly aan Li-metaalafsetting tydens hoë-koers laai. Hier rapporteer ons 'n grafiet–silika (SiO   ) samestelling, 'n grafietbal (GB) genoem, as 'n bedekkingsmateriaal vir hoë-kapasiteit Ni-ryke gelaagde katodemateriale asook 'n LIB anodemateriaal. Elke GB bestaan uit 'n SiO   nanopartikel sentrum en omringende grafietlae, wat 'n driedimensionele (3D) springmielie-agtige struktuur vorm. Die SiO   nanopartikels speel 'n deurslaggewende rol in veelvuldige aspekte, soos die vermyding van die vorming van 'n silikonkarbied (SiC) laag by die SiO   –grafiet koppelvlak tydens grafietgroei, die verseker van uniforme bedekking van GB op die katodemateriaal, en die verskaffing van 'n hoë spesifieke kapasiteit wanneer GB as 'n anodemateriaal gebruik word. Die uniforme bedekking van GB op die Ni-ryke gelaagde katode verbeter die interfasiale stabiliteit met die elektroliet en die elektroniese geleidbaarheid oor die katode, wat die sikliseerbaarheid en vinnige laaivermoë van die katode aansienlik verbeter. Met inagneming van die unieke voordele van GB, demonstreer die volledige sel wat die GB-bedekte katode en GB-anode bevat, die moontlikheid van hoë volumetriese energiedigtheid naby 800 Wh L−1 onder kommersiële seltoestande, tesame met 78.6% kapasiteitbehoud na 500 siklusse teen 5C en 60 °C. x x x x Resultate Sintese van grafietbal Om die springmielie-agtige GB te sintetiseer, het ons 'n chemiese dampafsettings (CVD) proses vir grafietgroei ontwikkel. CH4 gas is in 'n oond gevoer in die teenwoordigheid van SiO2 nanopartikels met deursnee van 20–30 nm by 1000 °C. By hierdie temperatuur word CH4 ontbind om waterstofatome te genereer, wat SiO2 daarna kan reduseer tot SiO   (  < 2). OH− word ook gelyktydig geproduseer via die volgende reaksie: x x Die sleutelkenmerk in hierdie reaksie is dat die geproduseerde SiO   katalitiese terreine vir grafietgroei bied, en OH− dien as 'n sagte oksideermiddel om die grafitiese koolstofvorming na grafiet te fasiliteer , . Die rol van sagte oksideermiddels op grafitiese koolstofvorming is onlangs gerasionaliseer  op 'n manier dat, sonder 'n sagte oksideermiddel, die vorming van amorfe koolstof meer dominant is. Nietemin, in die teenwoordigheid van 'n sagte oksideermiddel, is ontdek dat die reaksie na CO of CO2 vorming verkies word vir koolstofatome wat andersins in amorfe koolstof sou ontwikkel het. Trouens, die maklike groei van grafiet met behulp van metaalkataliste is bekend om op 'n soortgelyke manier te geskied , , , waar die suurstof wat op die metaaloppervlak oorbly, lei tot die voorkeurreaksie na grafitiese koolstofvorming. Die teenwoordigheid van 'n sagte oksideermiddel verhoed die vorming van 'n silikonkarbied (SiC) laag op die oppervlak van SiO   omdat die oksideermiddel die reduksie van Si na SiC vorming verhoed . x 14 15 16 17 18 19 x 19 In ons reaksieskema gebaseer op die eksklusiewe gebruik van CH4, het grafiet skaars gegroei by temperature onder 900 °C. Daarteenoor, by 1050 °C en hoër, het grafietgroei te aggressief geword tot grafietvorming (Aanvullende Figuur  ). Merkwaardig genoeg is die groeitemperatuur van 1000 °C laer as dié (1100–1400 °C) wat gewoonlik gebruik word vir CVD-gebaseerde grafietgroei gebaseer op Si en SiO2 substrrate sonder metaalkataliste , , . Die kritieke rol van die groeitoestande is opgeklaar deur 'n beheerde eksperiment (Aanvullende Figuur  ); volgens die konvensionele CVD-prosesse wat metaalkataliste gebruik, is CH4 en H2 in 'n 3:7 volumetriese vloei verhouding by 1000 °C gevoer. Omdat die ontbinding van CH4 belemmer is deur die groot hoeveelheid H2, was grafietgroei inderdaad baie stadig, wat die belangrikheid van die eksklusiewe gebruik van CH4 op die doeltreffende grafietgroei in ons sinteseprotokol openbaar. Oor die algemeen is die keuse van reagense en reaksiestemperatuur in die huidige reaksieskema onderskeidend van vorige CVD-gebaseerde eweknieë wat metaalkataliste gebruik en speel 'n sleutelrol in die produksie van 'n grafiet–SiO   samestelling met die 3D hiërargiese struktuur. 1 20 21 22 2 x Reekse van skande-elektronmikroskoop (SEM) (Aanvullende Figuur  ) en transmissie-elektronmikroskoop (TEM) ontledings (Figuur  ) wat tydens die CVD-proses uitgevoer is, weerspieël die veranderinge in grafietgroei en morfologie. Na 5 min van die CVD-proses is 'n 2–3-laag-dik grafietfilm vaag waargeneem langs die oppervlak van die SiO2 (Figuur  , e), met die poeierkleur wat swart word (Aanvullende Figuur  ). Die grafietgroei het prominenter geword na 30 min van die CVD-proses, waar 'n 3D plaat-morfologie duidelik sigbaar was (Figuur  , f). Die hoë-vergroting TEM-beeld (Figuur  ) vang die heksagonale atoomrangskikkings vas in 'n gedeelte van grafiet, wat die basale vlak daarvan weerspieël. Na 30 min is ook waargeneem dat die groottes van die SiO2 nanopartikels gemiddeld van 28.2 tot 15.3 nm afgeneem het (Aanvullende Figuur  ). Dit het gebeur omdat grafietgroei die voorafgaande reduksie van SiO2 en daaropvolgende OH− vorming behels. Daarom is die algehele grafietgroei taamlik analoog aan springmielies wat in die 3D-romerige struktuur uitbrei, geproduseer ten koste van die oorspronklike pitte (Figuur  ). 3a–f 1a–g 1b 3g 1c 1g 4 1h   Grafietgroei vanaf SiO2 nanopartikels.  –  TEM karakterisering   voor CVD-groei,   na 5 min groei, en   na 30 min groei (skaalblokkies, 50 nm).  –  Hul onderskeie vergrote beelde (skaalblokkies, 10 nm).   Hoër-vergroting beeld van grafiet na 30 min groei en sy atoom-vlak aansig vanaf die wit blokkie (inset) (skaalblokkie, 2 nm).   Grafiese illustrasie van springmielie-agtige grafietgroei vanaf SiO2 nanopartikels a c a b c d f g h Die grafietgroei is verder toegelig deur 'n reeks bykomende ontledings. X-straaldiffraksie (XRD)-spektra verkry tydens die groei dui aan dat soos die CVD-proses vorder, die pieke by 2  = 26.44° en 44°, wat ooreenstem met die (002) en (101) vlakke van grafiet, voortdurend gegroei het (Figuur  ), wat weer die vorming van grafitiese koolstof ondersteun , , . Die grafietgroei is ook weerspieël in die pieke by 284.5 en 291.5 eV in die C 1s tak van X-straalfoto-elektron spektrums (XPS) ontleding (Figuur  ) , . Die piek by 284.5 eV word toegeskryf aan C–C en C = C bindings, wat prominent geword het na 30 min van groei as gevolg van grafitiese koolstofvorming. Die progressiewe XPS-pieke in die Si 1s tak van XPS ontleding (Figuur  ) bevestig weer  die reduksie van SiO2 tydens die CVD-proses. Met toenemende groeitied, het die piek naby 103 eV na laer bindingsenergieë verskuif as gevolg van die verminderde oksidasietoestand van Si. Gebaseer op die teenwoordigheid en intensiteit van die koolstofsein in energie-dispersiewe X-straal (EDX) kartering (Figuur  ), is gevind dat selfs na 5 min, grafietgroei inderdaad langs die oppervlak van die SiO   plaasgevind het, en na 30 min het die groei oor die hele beeldarea versprei, terwyl Si en O homogeen versprei gebly het. Die gewigsporsie van grafiet, en die resultate van Raman-ontleding, spesifieke oppervlakte, en geleidbaarheid van GB by verskillende CVD-groeitye word in Tabel   opgesom. Wat die spesifieke oppervlakte betref, word die afname daarvan met toenemende reaksietyd toegeskryf aan die progressiewe grafitisering waardeur grafietlae saamsmelt en stapel. Gedetailleerde Raman en termogravimetriese (TG) ontledingspektrums word in Aanvullende Figuur   aanbied. θ 2a 23 24 25 2b 22 23 2c 25 2d–g x 1 5   Ontleding van grafietbal tydens sy groei.  –  Monitering van grafietgroei tydens die CVD-proses deur   XRD,   XPS in C 1s tak, en   XPS Si 2p tak te gebruik.  –  EDX elementêre kartering met betrekking tot C, O, en Si na  ,   5 min en  ,   30 min grafietgroei vanaf SiO2 (skaalblokkies, 50 nm) a c a b c d g d e f g Bedekking van grafietbal op Ni-ryke katodemateriaal Vanweë sy atoom-dik-gelaagde morfologie, is grafiet beskou as een van die mees ideale materiale vir oppervlakbeskermende bedekking van hoë-kapasiteit gelaagde katodemateriale. Nietemin, in die geval van welbekende oplossingprosesse , , ,  gebaseer op Hummer se metode, is dit nie triviaal om 'n uniforme bedekking met 'n beperkte inhoud van grafiet te verkry nie as gevolg van agglomerasie, wat voortspruit uit die sterk elektrostatiese interaksie tussen grafietplate. In 'n poging om die agglomerasie-kwessie op te los, is 'n ander benadering, soos die verbryseling van grafiet met behulp van 'n balmalingsproses, bekendgestel . Hierdie proses is egter gewoonlik stadig (>6 h) en, meer krities, kan die kristalliniteit van die gasheer-materiaal beskadig. Daar moet ook op gelet word dat amorfe koolstofbedekking deur CVD-prosesse nie van toepassing is op Ni-ryke oksiedmateriale nie ,  omdat die CVD-prosesse oorgangsmetaalle (TM's) onttrek, wat die oorspronklike kristalstruktuur van die gasheer-materiaal ontwrig. 26 27 28 29 30 31 32 Daarenteen kan die gesintetiseerde GB in hierdie studie op die oppervlak van kommersiële LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 poeier (grootte = ~10 µm) aangebring word teen 'n minimale inhoud van 1 wt% via 'n sagte Nobilta-malingsproses. Die bedekkingsproses is ook redelik vinnig (~10 min by 3000 rpm). Die SiO   sade speel 'n deurslaggewende rol om hierdie uniforme bedekking teen lae gewigsgehaltes moontlik te maak. Die SiO   sade maak 57.5 wt% van die GB uit (TG resultaat in Aanvullende Figuur  ) en in die bedekkingsproses laat hul teenwoordigheid die GB toe om 'n skeer-krag op die oppervlak van die LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 uit te oefen, wat intieme interaksie en selfs penetrasie tot gevolg het. Om hierdie verskynsel te bevestig, is dieselfde bedekkingsproses onderneem met 'n fisiese mengsel van 0.5 wt% SiO2 en 0.5 wt% grafiet. Hierdie monster het kristallyne skade op die oppervlakstreek van die NCM gely as gevolg van aggressiewe botsings tussen LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 deeltjies asook tussen LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 deeltjies en die reaktorwand (Aanvullende Figuur  ). Hierdie verskynsels is versterk deur grafietagglomerasie wat voorgekom het in die afwesigheid van die 3D hiërargiese strukture wat SiO   deeltjiesentrums bevat. x x 5b 6 x Die uniforme bedekking van GB is bevestig deur SEM- en TEM-ontledings. Hierna word LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 voor en na GB-bedekking onderskeidelik as suiwer NCM en GB-NCM aangedui. Lae-vergroting SEM-beelde van die NCM voor en na GB-bedekking (Figuur  , Aanvullende Figuur  ) het baie soortgelyke morfologieë getoon as gevolg van die uniforme verspreiding van die lae-inhoud GB. 'n Hoër-vergroting SEM-beeld van GB-NCM dui egter aan dat GB in die spasies tussen die primêre deeltjies van NCM ingepen het (Figuur  ). Die penetrasie van GB is duideliker waargeneem in TEM-beelde (Figuur  3a, b 6a, b 3d

Part of HackerNoon's growing list of open-source research papers, promoting free access to academic material.

Hierdie oudio word in die oorspronklike taal van die storie vervaardig!

Vinniger Laai, Langer Lewe: Die Grafeen-foefie wat Litiumbatterye Opgradeer

About Author

KOMMENTAAR

HANG TAGS

HIERDIE ARTIKEL IS AANGEBIED IN

Related Stories

The #bitcoin Writing Contest by Rootstock and HackerNoon: Final Round Results🎉

$30M Raised in 30 Minutes and the Controversies to Follow: The Story Behind Dexter’s GM.ai Project

Thrilled to be Recognized as Startup of the Year in New York City

How to Vote in the HackerNoon 2021 Noonies Awards #Noonies2021

The #bitcoin Writing Contest by Rootstock and HackerNoon: Final Round Results🎉

$30M Raised in 30 Minutes and the Controversies to Follow: The Story Behind Dexter’s GM.ai Project

Thrilled to be Recognized as Startup of the Year in New York City

How to Vote in the HackerNoon 2021 Noonies Awards #Noonies2021

Light-Mode

Classic

Newspaper

Minty

Dark-Mode

Neon Noir

Minty

HN StartUps