
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 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-ioon batterye vanweë die afruil-aardigheid onder sleutelparameters. Hier rapporteer ons 'n chemiese dampneerslagproses om 'n grafiet–silika-samestelling te kweek, 'n grafietbal genoem. Sy hiërargiese driedimensionele struktuur met die silikonoksied nanopartikel sentrum laat selfs 1 wt% grafietbal toe om eenvormig op 'n nikkel-ryke gelaagde katode te bedek via skaalbare Nobilta-vernuweling. Die grafietbalbedekking verbeter siklonglewing en vinnige laai-vermoë 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 Volle sel wat grafietballe inkorporeer, verhoog die volumetriese energiedigtheid met 27.6% vergeleke met 'n beheersel sonder grafietballe, wat die moontlikheid toon om 800 Wh L−1 te bereik in 'n kommersiële selopset, tesame met 'n hoë siklabiliteit van 78.6% kapasitet behoud na 500 siklusse teen 5C en 60 °C. Inleiding Die voortdurende ontwikkeling van litium-ioon batterye (LIBs) het gelei tot merkwaardige verbeterings in verskeie aspekte van hul werking, insluitend energiedigtheid, kragdigtheid, siklonglewing en veiligheid. Tans maak mobiele IT-toestelle 'n beduidende deel uit van LIB-toepassings, waar die operasiespesifikasies van huidige staat-van-die-kuns LIBs meestal bevredigend is , , . Namate elektriese voertuie (EVs) egter LIB-markte penetreer het, het sleutel elektrochemiese eienskappe meer uitdagende standaarde opgelê; terwyl hoër energiedigthede verlang word vir verhoogde ry-afstand, word verbeterde reaksiekinetika geëis vir vinnige laai- en hoë-koers-operasies. Veiligheid is ook beslis 'n kritieke faktor vir EV-toepassings. 'n Formidabele uitdaging lê daarin om die afruil-verwantskap 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 afruil-verwantskap is veral duidelik tussen energiedigtheid en vinnige laai (of kragvermoë). Terwyl die gebruik van nanomaterialie as aktiewe komponente ,  en die inkorporering van koolstof-nanomaterialie , ,  as geleidende middels verbeterde laaitempo's getoon het deur ion-diffusie-afstand en interne weerstand te verminder, vereis die meeste van daardie benaderings nog verdere verbetering voordat hulle geïmplementeer kan word in huidige LIB-tegnologie. Die tikdigthede van nanomaterialie is ver laer as dié van konvensionele mikro-partikels, wat nadelig is vir volumetriese energiedigtheid, 'n deurslaggewende faktor vir baie LIB-toepassings as die gravimetriese eweknie. In 'n soortgelyke konteks om interne weerstand te verminder, het die integrasie van koolstof-nanomaterialie soos grafiet doeltreffend geblyk te wees in die verhoging van die elektriese geleidingsvermoë van laboratorium-skaal-elektrodes. Egter, die bereiking van 'n eenvormige verspreiding van 'n klein gewigs inhoud (d.w.s. <3 wt%) van koolstof-nanomaterialie in 'n groot-skaal slurry-proses moet nog gedemonstreer word. Die modifikasie van bestaande aktiewe materiale deur doteer met vreemde elemente ,  of stechiometriese beheer , ,  kan ook die diffusie van Li-ione verhoog en dus die laaitempo van konvensionele aktiewe materiale met mikrometer-afmetings. 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 siklonglewing, veral by hoë temperature (d.w.s. 60 °C), 'n uitdaging vir gevorderde LIBs wat hoë-kapasiteit-elektrode materiale inkorporeer. Terwyl nikkel (Ni)-ryke en Li-ryke gelaagde oksied materiale oorweeg word as opkomende katode materiale weens hul beter spesifieke kapasiteite vergeleke met dié van klassieke LiCoO2 eweknieë, is dit welbekend dat die onvermydelike kation-menging tydens laai die gelaagde raamwerk tot spinel of rots sout strukture degrader, tesame met ongewenste newereaksies op die elektrode oppervlak. Met inagneming van die pogings wat tot dusver gedoen is, behels een van die mees realistiese oplossings vir onmiddellike bereiking van vinnige laai van katode materiale met 'n verwaarbare verlies in energiedigtheid en siklonglewing, die vind van geleidende beskermende materiale wat eenvormig op die aktiewe materiale met 'n minimale inhoud bedek kan word. Die vind van gevorderde anode materiale is ook noodsaaklik omdat huidige grafietanodes ly aan Li-metaal neerslag 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 katode materiale sowel as 'n LIB-anode materiaal. Elke GB bestaan uit 'n SiO   nanopartikel sentrum en omliggende 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 grafiet groei, die versekerde eenvormige bedekking van GB op die katode materiaal, en die voorsiening van 'n hoë spesifieke kapasiteit wanneer GB as 'n anode materiaal gebruik word. Die eenvormige bedekking van GB op die Ni-ryke gelaagde katode verbeter die interfasiale stabiliteit met die elektroliet en die elektroniese geleidingsvermoë oor die elektrode, wat die siklabiliteit en vinnige laai-vermoë van die katode aansienlik verbeter. Met inagneming van die unieke voordele van GB, toon die volle sel bestaande uit die GB-bedekte katode en GB-anode die moontlikheid van hoë volumetriese energiedigtheid naby 800 Wh L−1 in 'n kommersiële sel toestand, tesame met 78.6% kapasiteit behoud 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 dampneerslag (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. Teen hierdie temperatuur, word CH4 ontbind om waterstofatome te genereer, wat SiO2 daarna tot SiO   (   < 2) kan reduseer. OH− word ook gelyktydig geproduseer via die volgende reaksie: x x Die sleutelkenmerk in hierdie reaksie is dat die geproduseerde SiO   katalitiese webwerwe vir grafietgroei voorsien, en OH− dien as 'n sagte oksideermiddel om die grafietiese koolstofvorming na grafiet te fasiliteer , . Die rol van sagte oksideermiddels op grafietiese koolstofvorming is onlangs gerasionaliseer  op 'n manier dat, sonder 'n sagte oksideermiddel, die vorming van amorfe koolstof meer dominant is. In die teenwoordigheid van 'n sagte oksideermiddel is dit egter ontdek dat die reaksie na CO of CO2 vorming verkieslik is vir koolstofatome wat andersins in amorfe koolstof sou ontwikkel het. Trouens, die maklike groei van grafiet met behulp van metaalkatalisators word op 'n soortgelyke manier gedoen , , , waar die suurstof wat op die metaaloppervlak oorbly, lei tot die verkieslike reaksie na grafietiese 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 teen temperature onder 900 °C. In teenstelling, teen 1050 °C en hoër, het grafietgroei te aggressief geword na grafietvorming (Aanvullende Figuur  ). Merkwaardig, die groeitemperatuur van 1000 °C is laer as dié (1100–1400 °C) wat gewoonlik gebruik word vir CVD-gebaseerde grafietgroei gebaseer op Si en SiO2 subrate sonder metaalkatalisators , , . Die deurslaggewende rol van die groeitoestande is verduidelik deur 'n beheerde eksperiment (Aanvullende Figuur  ); volgens die konvensionele CVD-prosesse met behulp van metaalkatalisators, is CH4 en H2 in 'n 3:7 volumetriese vloeiverhouding 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 toon. Algeheel is die keuse van reaktante en reaksietemperatuur in die huidige reaksieskema onderskei van vorige CVD-gebaseerde eweknieë wat metaalkatalisators 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 skandeerelektronmikroskoop (SEM) (Aanvullende Figuur  ) en transmissie-elektronmikroskoop (TEM) ontledings (Figuur  ) wat gedurende die CVD-proses uitgevoer is, weerspieël die veranderinge in grafietgroei en morfologie. Na 5 minute van die CVD-proses is 'n 2–3 lae-dik grafietfilm vaag waargeneem langs die oppervlak van die SiO2 (Figuur  , e), met die poeierkleur wat swart geword het (Aanvullende Figuur  ). Die grafietgroei het meer prominent geword na 30 minute van die CVD-proses, waar die 3D-blaar-morfologie duidelik sigbaar was (Figuur  , f). Die hoë-vergroting TEM-beeld (Figuur  ) vang die heksagonale atoomrangskikkings in 'n gedeelte van grafiet vas, wat die basiese vlak daarvan weerspieël. Na 30 minute is ook waargeneem dat die groottes van die SiO2 nanopartikels gemiddeld van 28.2 tot 15.3 nm verminder het (Aanvullende Figuur  ). Dit het gebeur omdat grafietgroei die voorafgaande reduksie van SiO2 en daaropvolgende OH− vorming behels. Dus, die algehele grafietgroei is taamlik analoog aan springmielies wat uitbrei in die 3D-basiese struktuur, geproduseer ten koste van die oorspronklike korrels (Figuur  ). 3a–f 1a–g 1b 3g 1c 1g 4 1h   Grafietgroei vanaf SiO2 nanopartikels.  –  TEM-karakterisering   voor CVD-groei,   na 5 minute groei, en   na 30 minute groei (skaalbalke, 50 nm).  –  Hul onderskeie vergrote beelde (skaalbalke, 10 nm).   Hoër-vergroting beeld van grafiet na 30 minute groei en sy atoomvlak-aansig vanaf die wit boks (inset) (skaalbalk, 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-straal diffraksie (XRD) spektrums 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 grafietiese koolstof ondersteun , , . Die grafietgroei is ook weerspieël in die pieke by 284.5 en 291.5 eV in die C 1s tak van X-straal foto-elektron spektroskopie (XPS) ontleding (Figuur  ) , . Die piek by 284.5 eV word toegeskryf aan C–C en C = C bindings, wat prominent geword het na 30 minute van groei weens grafietiese koolstofvorming. Die progressiewe XPS-pieke in die Si 1s tak van XPS-ontleding (Figuur  ) herbevestig  die reduksie van SiO2 tydens die CVD-proses. Met toenemende groeityd, het die piek naby 103 eV verskuif na laer bindingsenergieë as gevolg van die verminderde oksidasie-graad 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 minute, grafietgroei inderdaad langs die oppervlak van die SiO    plaasgevind het, en na 30 minute, het die groei oor die hele beeldarea versprei, terwyl Si en O homogeen versprei gebly het. Die gewigsdeel van grafiet, en die resultate van Raman-ontleding, spesifieke oppervlakte, en geleidingsvermoë van GB by verskillende CVD-groeitye word in Tabel   opgesom. Wat die spesifieke oppervlakte betref, word die afname met toenemende reaksietyd toegeskryf aan die progressiewe grafitisering waartydens grafietlae saamsmelt en stapel. Gedetailleerde Raman en termogravimetriese (TG) ontledingspektrums word in Aanvullende Figuur   gepresenteer. θ 2a 23 24 25 2b 22 23 2c 25 2d–g x 1 5   Ontleding van grafiet-bal tydens sy groei.  –  Monitering van grafietgroei gedurende die CVD-proses deur gebruik te maak van   XRD,   XPS in C 1s tak, en   XPS Si 2p tak.  –  EDX elementêre kartering met betrekking tot C, O, en Si na  ,   5 minute en  ,   30 minute grafietgroei vanaf SiO2 (skaalbalke, 50 nm) a c a b c d g d e f g Bedekking van grafietbal op Ni-ryke katode materiaal Vanweë sy atoom-dik-gelaagde morfologie, is grafiet beskou as een van die mees ideale materiale vir oppervlakbeskermende bedekking van hoë-kapasiteit gelaagde katode materiale. In die geval van welbekende oplossingprosesse , , ,  gebaseer op Hummer se metode, is die bereiking van 'n eenvormige bedekking met 'n beperkte inhoud van grafiet nie triviaal nie as gevolg van agglomerasie, wat ontstaan uit die sterk elektrostatiese interaksie tussen grafietblaaie. In 'n poging om die agglomerasie-probleem te oorkom, is 'n ander benadering, soos die vergruising van grafiet deur 'n bal-vernuwelingsproses, bekendgestel . Hierdie proses is egter gewoonlik stadig (>6 h) en, meer kritiek, kan die kristalliniteit van die gasheer-materiaal benadeel. Dit moet ook opgemerk word dat amorfe koolstofbedekking deur CVD-prosesse nie van toepassing is op Ni-ryke oksied materiale nie ,  omdat die CVD-prosesse oorgangsmetale (TMs) onttrek, wat die oorspronklike kristalstruktuur van die gasheer-materiaal versteur. 26 27 28 29 30 31 32 In teenstelling, die gesintetiseerde GB in hierdie studie kan op die oppervlak van kommersiële LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 poeier (grootte = ~10 µm) bedek word teen 'n minimale inhoud van 1 wt% via 'n sagte Nobilta-vernuwelingsproses. Die bedekkingsproses is ook heel vinnig (~10 min by 3000 rpm). Die SiO   sade speel 'n deurslaggewende rol in die moontlik maak van hierdie eenvormige bedekking teen lae gewig-inhoude. Die SiO   sade maak 57.5 wt% van die GB uit (TG-resultaat in Aanvullende Figuur  ) en in die bedekkingsproses laat hul teenwoordigheid toe dat die GB 'n skeerkrag op die oppervlak van die LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 uitoefen, wat intieme interaksie en selfs penetrasie produseer. 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 oppervlak area van die NCM gely as gevolg van aggressiewe botsings tussen LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 partikels sowel as tussen LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 partikels en die reaktorwand (Aanvullende Figuur  ). Hierdie verskynsels is versterk deur grafietagglomerasie wat plaasgevind het in die afwesigheid van die 3D hiërargiese strukture wat SiO   partikelsentrums bevat. x x 5b 6 x Die eenvormige bedekking van GB is bevestig deur SEM en TEM ontledings. Hierna word LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 voor en na GB-bedekking onderskeidelik as primêre 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 eenvormige 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 partikels van NCM penetreer het (Figuur  ). Die penetrasie van GB is duideliker waargeneem in TEM beelde (Figuur  , f). In Figuur   is 'n grafietblaar waargeneem in die oop spasie bo 'n NCM partikel (sien rooi kollynne). Sommige grafietblaaie is langs die oppervlak van die NCM ger 3a, b 6a, b 3d 3e 3e

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 Grafien-foefie wat Litiumbatterye Opgradeer

About Author

KOMMENTAAR

HANG TAGS

HIERDIE ARTIKEL IS AANGEBIED IN

Related Stories

Thinking for the 21st century

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

Meet the Writer: HackerNoon Contributor Daniil Sitdikov, Software Engineer

Startups of The Year: Meet the Business Industry

Thinking for the 21st century

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

Meet the Writer: HackerNoon Contributor Daniil Sitdikov, Software Engineer

Startups of The Year: Meet the Business Industry

Light-Mode

Classic

Newspaper

Minty

Dark-Mode

Neon Noir

Minty

HN StartUps