
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 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 op te offer, is uitdagend vir litiumioonbatterye weens die ruil aard tussen sleutelparameters. Hier rapporteer ons 'n chemiese dampneerslagproses om 'n grafiet–silika-samestelling te groei, genaamd 'n grafietbal. Sy hiërargiese driedimensionele struktuur met die silikonoksied nanopartikel sentrum laat selfs 1 gew% grafietbal toe om eenvormig op 'n nikkelryke gelaagde katode gedek te word via skaalbare Nobilta-maling. Die grafietbalbedekking verbeter siklusleeftyd en vinnige laaikapasiteit deur skadelike newereaksies te onderdruk en doeltreffende geleidende paaie te bied. 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 te bereik in 'n kommersiële selomgewing, tesame met 'n hoë sikluskontroleerbaarheid van 78.6% kapasiteitsbehoud na 500 siklusse teen 5C en 60 °C. Inleiding Die deurlopende ontwikkeling van litiumioonbatterye (LIB's) het gelei tot merkwaardige verbeterings in verskeie aspekte van hul werking, insluitend energiedigtheid, kragdigtheid, siklusleeftyd en veiligheid. Tans maak mobiele IT-toestelle 'n aansienlike deel van LIB-toepassings uit, waar die bedryfspesifikasies van huidige staat-van-die-kuns LIB's meestal bevredigend is , , . Egter, namate elektriese voertuie (EV's) LIB-markte penetreer het, stel sleutel elektrochemiese eienskappe meer uitdagende standaarde; terwyl hoër energiedigthede vir verhoogde rykmyle verlang word, word verbeterde reaksiekinetika vir vinnige laai en hoë-koersbedrywighede vereis. Veiligheid is ook beslis 'n kritieke faktor vir EV-toepassings. 'n Formidabele uitdaging lê daarin om die ruilverhouding tussen hierdie sleuteleienskappe te oorkom; dit is gewoonlik nie triviaal om een eienskap te verbeter sonder om ander te benadeel nie. 1 2 3 Hierdie tipe ruilverhouding 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 laaisnelhede getoon het deur ioon diffusiafstand en interne weerstand te verminder, vereis die meeste van daardie benaderings nog verdere verbetering voordat dit in huidige LIB-tegnologie geïmplementeer kan word. Die tikdigthede 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 teenhanger. In 'n soortgelyke konteks ter verbetering van interne weerstand, het die integrasie van koolstofnanomateriale soos grafiet effektief geblyk om die elektriese geleidingsvermoë van lab-skaal elektrodes te verhoog. Dit is egter nog nie gedemonstreer om 'n eenvormige verspreiding van 'n klein gewiginhoud (d.w.s. <3 gew%) van koolstofnanomateriale in 'n groot-skaal slypbewerking te verkry nie. Die modifikasie van bestaande aktiewe materiale deur doping met vreemde elemente ,  of stechiometriese beheer , ,  kan ook die diffusie van Li-ione verhoog en sodoende die laaisnelheid van konvensionele aktiewe materiale met mikrometerafmetings. Die meeste van daardie 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 siklusleeftyd, veral by hoë temperature (d.w.s. 60 °C), steeds 'n uitdaging vir gevorderde LIB's wat hoë-kapasiteit elektrode materiale insluit. Terwyl nikkel (Ni)-ryke en Li-ryke gelaagde oksied materiale as opkomende katodemateriale beskou word weens hul beter spesifieke kapasiteite vergeleke met dié van klassieke LiCoO2-teenhangers, is dit welbekend dat die onvermydelike kation-mengsel tydens laai die gelaagde raamwerk na spinelle of rotsoutstrukture afbreek, saam met ongewenste newereaksies op die elektrodeoppervlak. In ag genome die pogings wat tot dusver aangewend is, behels een van die mees realistiese oplossings vir onmiddellike vinnige laai van katodemateriale met 'n verwaarloosbare verlies aan energiedigtheid en siklusleeftyd die vind van geleidende beskermende materiale wat eenvormig op die aktiewe materiaal met 'n minimale inhoud gedek kan word. Die vind van gevorderde anodemateriale is ook noodsaaklik omdat huidige grafietanodes aan Li-metaalafsetting ly tydens hoë-koers laai. Hier rapporteer ons 'n grafiet–silika (SiOₓ) samestelling, genaamd 'n grafietbal (GB), as 'n bedekkingsmateriaal vir hoë-kapasiteit Ni-ryke gelaagde katodemateriale sowel as 'n LIB anodemateriaal. Elke GB bestaan uit 'n SiOₓ nanopartikel sentrum en omringende grafietlae, wat 'n driedimensionele (3D) springmielie-agtige struktuur vorm. Die SiOₓ nanopartikels speel 'n deurslaggewende rol in veelvuldige aspekte, soos die vermyding van die vorming van 'n silikonkarbied (SiC) laag by die SiOₓ–grafiet-grens tydens grafietgroei, die verseker van eenvormige dekking van GB op die katodemateriaal, en die verskaffing van 'n hoë spesifieke kapasiteit wanneer GB as anodemateriaal gebruik word. Die eenvormige dekking van GB op die Ni-ryke gelaagde katode verbeter die interfasiale stabiliteit met die elektroliet en die elektroniese geleidingsvermoë oor die elektrode, wat die sikluskontroleerbaarheid en vinnige laaikapasiteit van die katode aansienlik verbeter. Met inagneming van die unieke voordele van GB, toon die volledige sel wat die GB-bedekte katode en GB-anode insluit die moontlikheid van hoë volumetriese energiedigtheid naby 800 Wh L⁻¹ in 'n kommersiële seltoestand, tesame met 78.6% kapasiteitsbehoud na 500 siklusse teen 5C en 60 °C. Resultate Sintese van grafietbal Om die springmielie-agtige GB te sintetiseer, het ons 'n chemiese dampneerslag (CVD) proses ontwikkel vir grafietgroei. CH₄-gas is in 'n oond gevoer in die teenwoordigheid van SiO₂ nanopartikels met deursnee van 20–30 nm teen 1000 °C. Teen hierdie temperatuur word CH₄ ontbind om waterstofatome te genereer, wat SiO₂ vervolgens tot SiOₓ (  < 2) kan reduseer. OH⁻ word ook gelyktydig geproduseer via die volgende reaksie: x Die sleutelkenmerk in hierdie reaksie is dat die geproduseerde SiOₓ katalitiese plekke 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 wyse dat, sonder 'n sagte oksideermiddel, die vorming van amorfe koolstof meer dominant is. Maar in die teenwoordigheid van 'n sagte oksideermiddel, is ontdek dat die reaksie na CO of CO₂ vorming verkies word vir koolstofatome wat andersins tot amorfe koolstof sou ontwikkel het. Trouens, die maklike groei van grafiet met behulp van metaalkatalisators is bekend om op 'n soortgelyke wyse te gebeur , , , waar die suurstof wat op die metaaloppervlak agterbly, lei tot die verkieslike reaksie na grafitiese koolstofvorming. Die teenwoordigheid van 'n sagte oksideermiddel verhoed die vorming van 'n silikonkarbied (SiC) laag op die oppervlak van SiOₓ omdat die oksideermiddel die reduksie van Si na SiC vorming voorkom . 14 15 16 17 18 19 19 In ons reaksieskema gebaseer op die eksklusiewe gebruik van CH₄, het grafiet skaars gegroei teen temperature onder 900 °C. Daarenteen, teen 1050 °C en hoër, het grafietgroei te aggressief geword na 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 substraate sonder metaalkatalisators , , . Die kritiese rol van die groeitoestande is opgeklaar deur 'n kontrole-eksperiment (Aanvullende Figuur  ); volgens die konvensionele CVD-prosesse wat metaalkatalisators gebruik, is CH₄ en H₂ gevoer in 'n 3:7 volumetriese vloeiverhouding by 1000 °C. Omdat die ontbinding van CH₄ deur die groot hoeveelheid H₂ belemmer is, was grafietgroei inderdaad baie stadig, wat die belangrikheid van die eksklusiewe gebruik van CH₄ op die doeltreffende grafietgroei in ons sinteseprotokol onthul. Oor die algemeen is die keuse van reaktanse en reaksietemperatuur in die huidige reaksieskema onderskeibaar van vorige CVD-gebaseerde teenhangers wat metaalkatalisators gebruik en speel dit 'n sleutelrol in die produksie van 'n grafiet–SiOₓ samestelling met die 3D hiërargiese struktuur. 1 20 21 22 2 ’n Reeks skandeerelektronmikroskoop (SEM) (Aanvullende Figuur  ) en transmissie-elektronmikroskoop (TEM) ontledings (Figuur  ) uitgevoer gedurende die verloop van die CVD-proses weerspieël die veranderinge in grafietgroei en morfologie. Na 5 minute 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 meer prominent geword na 30 minute van die CVD-proses, waar 'n 3D-plaatmorfologie duidelik sigbaar was (Figuur  , f). Die hoë-vergroting TEM-beeld (Figuur  ) vang die heksagonale atomiese rangskikkings in 'n gedeelte van grafiet vas, wat die basisvlak daarvan weerspieël. Na 30 minute 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 voorgenoemde reduksie van SiO₂ en daaropvolgende OH⁻ vorming behels. Dus is die algehele grafietgroei redelik analoog aan springmielies wat in die 3D-massiewe 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 minute groei, en   na 30 minute groei (skaalstawe, 50 nm).  –  Hul onderskeie vergrote beelde (skaalstawe, 10 nm).   Hoër vergroting beeld van grafiet na 30 minute groei en sy atoomvlak-aansig vanaf die wit boks (inset) (skaalstaaf, 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 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-spektroskopie (XPS)-analise (Figuur  ) , . Die piek by 284.5 eV word toegeskryf aan C–C en C=C bindings, wat prominent verskyn het na 30 minute van groei as gevolg van grafitiese koolstofvorming. Die progressiewe XPS-pieke in die Si 1s tak van XPS-analise (Figuur  ) bevestig weer  die reduksie van SiO₂ gedurende die CVD-proses. Met toenemende groeityd 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 minute, grafietgroei inderdaad langs die oppervlak van die SiOₓ plaasgevind het, en na 30 minute het die groei oor die hele beeldarea versprei, terwyl Si en O homogeen versprei gebly het. Die gewiggedeelte van grafiet, en die resultate van Raman-analise, spesifieke oppervlakte, en konduktiwiteit 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 waartydens grafietlae saamgevoeg en gestapel word. Gedetailleerde Raman en termogravimetriese (TG) ontledingspektrums word in Aanvullende Figuur   aanbied. θ 2a 23 24 25 2b 22 23 2c 25 2d–g 1 5   Analise van grafietbal gedurende sy groei.  –  Monitering van grafietgroei gedurende die verloop van die CVD-proses met behulp van   XRD,   XPS in die 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 (skaalstawe, 50 nm) a c a b c d g d e f g Bedekking van grafietbal op Ni-ryke katodemateriaal Vanweë sy atomies-dun-gelaagde morfologie, is grafiet beskou as een van die mees ideale materiale vir oppervlakbeskermende bedekking van hoë-kapasiteit gelaagde katodemateriale. Egter, in die geval van welbekende oplossingsprosesse , , ,  gebaseer op Hummer se metode, is dit nie triviaal om 'n eenvormige dekking met 'n beperkte inhoud van grafiet te verkry nie as gevolg van agglomerasie, wat ontstaan uit die sterk elektrostatiese interaksie tussen grafietplate. In 'n poging om die agglomerasieprobleem op te los, is 'n ander benadering, soos die verbryseling van grafiet met 'n balmaling proses, bekendgestel . Hierdie proses is egter gewoonlik stadig (> 6 uur) en, meer krities, kan die kristalliniteit van die gasheer-materiaal beskadig. Dit moet ook opgemerk word dat die bedekking van amorfe koolstof deur CVD-prosesse nie van toepassing is op Ni-ryke oksied materiale nie ,  omdat die CVD-prosesse oorgangsmetaale (TM's) onttrek, wat die oorspronklike kristalstruktuur van die gasheer-materiaal versteur. 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) gedek word teen 'n minimale inhoud van 1 gew% via 'n sagte Nobilta-maling proses. Die bedekkingsproses is ook redelik vinnig (~10 minute teen 3000 rpm). Die SiOₓ pitte speel 'n deurslaggewende rol in die moontlikmaking van hierdie eenvormige bedekking teen lae gewiginhoud. Die SiOₓ pitte maak 57.5 gew% 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 uitgevoer met 'n fisiese mengsel van 0.5 gew% SiO₂ en 0.5 gew% grafiet. Hierdie monster het kristalbeskadiging op die oppervlakstreek van die NCM gely as gevolg van aggressiewe botsings tussen LiNi₀.₆Co₀.₁Mn₀.₃O₂ deeltjies sowel as tussen LiNi₀.₆Co₀.₁Mn₀.₃O₂ deeltjies en die reaktormuur (Aanvullende Figuur  ). Hierdie verskynsels is versterk deur grafietagglomerasie wat plaasgevind het in die afwesigheid van die 3D hiërargiese strukture wat SiOₓ partikelsentrums bevat. 5b 6 Die eenvormige dekking van GB is bevestig deur SEM- en TEM-ontledings. Hierna word LiNi₀.₆Co₀.₁Mn₀.₃O₂ voor en na GB-bedekking onderskeidelik aangedui as suiwer NCM en GB-NCM. SEM-beelde met lae vergroting 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 ruimtes tussen die primêre deeltjies van NCM penetreer het (Figuur  ). Die penetrasie van GB is duideliker waargeneem in TEM-beelde (Figuur  , f). In Figuur   is 'n grafietplaat waargeneem in die oop ruimte bokant 'n NCM-deeltjie (sien rooi kolletjieslyne). Sommige grafietplate is langs die oppervlak van die NCM gerangskik en het 'n konsekwente interlaagafstand van 3.3 of 3.4 Å getoon (Figuur  ). 3a, b 6a, b 3d 3e 3e 3f  

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-truuk wat Litiumbatterye opgradeer

About Author

KOMMENTAAR

HANG TAGS

HIERDIE ARTIKEL IS AANGEBIED IN

Related Stories

The #bitcoin Writing Contest by Rootstock and HackerNoon: Round 2 Results 🎉

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

Top Actionable Tips to Grow a Community: More Tips to Monetize

Startups of The Year: Meet the Business Industry

The #bitcoin Writing Contest by Rootstock and HackerNoon: Round 2 Results 🎉

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

Top Actionable Tips to Grow a Community: More Tips to Monetize

Startups of The Year: Meet the Business Industry

Light-Mode

Classic

Newspaper

Minty

Dark-Mode

Neon Noir

Minty

HN StartUps