
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Müəlliflər: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 In Hyuk Son Jong Hwan Park Seongyong Park Kwangjin Park Sangil Han Jaeho Shin Seok-Gwang Doo Yunil Hwang Hyuk Chang Jang Wook Choi Abstrakt Litium-ion batareyaları üçün digər xüsusiyyətləri qurban vermədən bir xüsusiyyəti yaxşılaşdırmaq, əsas parametrlər arasındakı qarşılıqlı təsir səbəbindən çətindir. Burada biz qrafen-silika yığımı, qrafen topu adlandırılan bir qrafen-silika yığımı böyütmək üçün kimyəvi buxar çökdürmə prosesini bildiririk. Silikon oksid nanozarəcikli mərkəzi olan ierarşik üçölçülü strukturu, miqyaslı Nobelta üyütmə vasitəsilə nikel-zəngin laylı katoda qrafen topunun 1 wt%-nin belə bərabər örtülməsinə imkan verir. Qrafen topu örtüyü zərərli yan reaksiyaları basdıraraq və effektiv keçirici yollar təmin edərək dövrə həyatını və sürətli şarj qabiliyyətini yaxşılaşdırır. Qrafen topu özü də 716.2 mAh q⁻¹ yüksək xüsusi tutumu olan anod materialı kimi çıxış edir. Qrafen topları olan tam hüceyrə, qrafen topları olmayan nəzarət hüceyrəsi ilə müqayisədə həcmi enerji sıxlığını 27.6% artırır, kommersiya hüceyrəsi şəraitində 800 Vt•q⁻¹ nail olma imkanını göstərir, həmçinin 5C və 60 °C-də 500 dövrədən sonra 78.6% tutumun saxlanılması ilə yüksək dövrəlilik nümayiş etdirir. Giriş Litium-ion batareyalarının (LIB) davamlı inkişafı, enerji sıxlığı, güc sıxlığı, dövrə həyatı və təhlükəsizlik də daxil olmaqla müxtəlif əməliyyat aspektlərində nəzərəçarpan yaxşılaşmalara səbəb olmuşdur. Hal-hazırda, mobil İT cihazları LIB tətbiqlərinin əhəmiyyətli bir hissəsini təşkil edir, burada mövcud ən qabaqcıl LIB-lərin işləmə xüsusiyyətləri əsasən qənaətbəxşdir , , . Bununla belə, elektrikli nəqliyyat vasitələri (EV-lər) LIB bazarlarına daxil olduqca, əsas elektrokimyəvi xüsusiyyətlər daha çətin standartlar tələb etmişdir; daha yüksək enerji sıxlıqları artırılmış sürmə məsafəsi üçün istənilərkən, sürətli şarj və yüksək dərəcəli əməliyyatlar üçün təkmilləşdirilmiş reaksiya kinetikası tələb olunur. Təhlükəsizlik də EV tətbiqləri üçün mühüm bir faktordur. Bu əsas xüsusiyyətlər arasındakı qarşılıqlı əlaqəni aradan qaldırmaqda çətin bir mübarizə mövcuddur; bir xüsusiyyəti digərlərini qurban vermədən yaxşılaşdırmaq adətən çətin deyildir. 1 2 3 Belə bir qarşılıqlı əlaqə, xüsusilə enerji sıxlığı və sürətli şarj (və ya güc qabiliyyəti) arasında aydındır. Aktiv komponentlər kimi nano-materialların istifadəsi ,  və keçirici agentlər kimi karbon nano-materialların daxil edilməsi , ,  ion diffuziya məsafəsini və daxili müqaviməti azaldaraq şarj dərəcələrini yaxşılaşdırdığı halda, bu yanaşmaların əksəriyyəti mövcud LIB texnologiyasına tətbiq olunmaq üçün daha çox təkmilləşdirməyə ehtiyac duyur. Nano-materialların sıxılma sıxlığı adi mikro-zərrəciklərdən xeyli aşağıdır, bu da çoxsaylı LIB tətbiqləri üçün qravimetrik ekvivalentdən daha vacib bir amil olan həcmi enerji sıxlığına zərər verir. Daxili müqavimətin azaldılması istiqamətində oxşar kontekstdə, qrafen kimi karbon nano-materialların birləşdirilməsi, laboratoriya miqyaslı elektrodların elektrik keçiriciliyini artırmaqda effektiv olmuşdur. Bununla belə, böyük miqyaslı məhlul prosesində kiçik çəki tərkibinin (yəni, <3 wt%) karbon nano-materiallarının bərabər paylanmasını təmin etmək hələ də nümayiş olunmayıb. Xarici elementlərlə doping vasitəsilə mövcud aktiv materialların modifikasiyası ,  və ya stökiometrik nəzarət , ,  Li ionlarının diffuzivliyini və bununla da mikrometr ölçülü adi aktiv materialların şarj dərəcəsini artıra bilər. Lakin bu yanaşmaların əksəriyyəti, xüsusi tutumun hesabına effektivdir. 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Bundan əlavə, enerji sıxlığı və sürətli şarjdan başqa, uzun dövrə həyatına nail olmaq, xüsusilə yüksək temperaturlarda (yəni, 60 °C), yüksək tutumlu elektrod materialları ehtiva edən qabaqcıl LIB-lər üçün hələ də bir problem olaraq qalır. Nikel (Ni)-zəngin və Li-zəngin laylı oksigen materialları, klassik LiCoO2 ekvivalentləri ilə müqayisədə üstün xüsusi tutumlarına görə gələcək katod materialları olaraq qəbul edildikdə, şarj zamanı qaçılmaz kation qarışığının laylı çərçivəni spinelə və ya daş duz strukturlarına zədələdiyi, elektrod səthində arzuolunmaz yan reaksiyalarla birlikdə məlumdur. İndiyə qədər görülən səyləri nəzərə alsaq, enerji sıxlığında və dövrə həyatında əhəmiyyətsiz itki ilə katod materiallarının sürətli şarjını dərhal əldə etmək üçün ən real həllərindən biri, minimal tərkibdə aktiv materiallar üzərində bərabər örtülə bilən keçirici qoruyucu materiallar tapmaqdır. Li metalı çöküntüsü ilə yüksək dərəcəli şarjın əziyyətini çəkən adi qrafit anodlar səbəbindən qabaqcıl anod materiallarının tapılması da vacibdir. Burada biz qrafen-silika (SiO   ) yığımı, qrafen topu (GB) adlandırılan, yüksək tutumlu Ni-zəngin laylı katod materialları üçün örtücü material, həmçinin LIB anod materialı kimi təqdim edirik. Hər bir GB, SiO   nanozarəcikli mərkəzi və ətrafındakı qrafen qatlarından ibarətdir, üçölçülü (3D) ağız partladıcı strukturu təşkil edir. SiO   nanozarəcikləri bir çox aspektlərdə, o cümlədən SiO   –qrafen interfeysində silikon karbid (SiC) qatının əmələ gəlməsindən qaçınmaq, GB-nin katod materialına bərabər örtülməsini təmin etmək və GB anod materialı kimi istifadə edildikdə yüksək xüsusi tutum təmin etmək kimi mühüm rol oynayır. GB-nin Ni-zəngin laylı katod üzərində bərabər örtülməsi elektrolitlə interfeys sabitliyini və elektrod üzərində elektron keçiriciliyini yaxşılaşdırır, katodun dövrəliliyini və sürətli şarj qabiliyyətini əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşdırır. GB-nin unikal üstünlüklərindən istifadə edərək, GB örtüklü katod və GB anodunu ehtiva edən tam hüceyrə, kommersiya hüceyrəsi şəraitində 800 Vt•q⁻¹ yaxın həcmi enerji sıxlığı imkanını, həmçinin 5C və 60 °C-də 500 dövrədən sonra 78.6% tutumun saxlanılmasını nümayiş etdirir. x x x x Nəticələr Qrafen topunun sintezi Popkornabənzər GB-nin sintezini həyata keçirmək üçün biz qrafen böyüməsi üçün kimyəvi buxar çökdürmə (CVD) prosesi hazırladıq. CH4 qazı 1000 °C-də 20–30 nm diametrli SiO2 nanozarəcikləri iştirakında bir sobaya verilib. Bu temperaturda CH4 H2 atomları əmələ gətirmək üçün ayrışır, bu da sonradan SiO2-ni SiO   (   < 2) qədər azaldır. OH− həmçinin aşağıdakı reaksıya görə eyni anda istehsal olunur: x x Bu reaksiyadakı əsas xüsusiyyət ondan ibarətdir ki, əmələ gələn SiO   qrafen böyüməsi üçün katalitik sahələr təmin edir və OH− qrafenə doğru qrafik karbon əmələ gəlməsini asanlaşdıran yumşaq oksidləşdirici kimi çıxış edir , . Yumşaq oksidləşdiricilərin qrafik karbon əmələ gəlməsindəki rolu bu yaxınlarda rasionalizə edilmişdir  belə bir şəkildə ki, yumşaq oksidləşdirici olmadan amorf karbon əmələ gəlməsi daha dominantdır. Lakin, yumşaq oksidləşdiricinin iştirakı ilə CO və ya CO2 əmələ gəlməsi istiqamətindəki reaksiyanın, əks halda amorf karbona çevriləcək karbon atomları üçün üstünlük təşkil etdiyi kəşf edilmişdir. Əslində, metal katalizatorlardan istifadə edərək qrafen istehsalının asanlaşması oxşar şəkildə baş verir , , , burada metal səthində qalan oksigen, qrafik karbon əmələ gəlməsi istiqamətində üstünlük təşkil edən reaksiyaya səbəb olur. Yumşaq oksidləşdiricinin olması, oksidləşdiricinin Si-nin SiC əmələ gəlməsinə qədər azalmasını əngəllədiyi üçün SiO   səthində silikon karbid (SiC) qatının əmələ gəlməsini əngəlləyir . x 14 15 16 17 18 19 x 19 CH4-dən istifadəyə əsaslanan reaksiyamızda, 900 °C-dən aşağı temperaturlarda qrafen demək olar ki, böyümürdü. Əksinə, 1050 °C və yuxarıda, qrafen böyüməsi qrafitə doğru çox aqressiv olurdu (Əlavə Şəkil  ). Qeyd etmək lazımdır ki, 1000 °C-lik böyümə temperaturu, metal katalizatorlar olmadan Si və SiO2 substratlarına əsaslanan CVD-əsaslı qrafen böyüməsi üçün adətən istifadə olunanlardan (1100–1400 °C) aşağıdır , , . Böyümə mühitinin kritik rolu bir nəzarət təcrübəsi ilə aydınlaşdırıldı (Əlavə Şəkil  ); metal katalizatorları istifadə edən adi CVD proseslərini izləyərək, 1000 °C-də CH4 və H2 3:7 həcmli axın nisbətində verilib. CH4-ün ayrışması böyük miqdarda H2 ilə əngəlləndiyi üçün, qrafen böyüməsi həqiqətən də çox yavaş idi, bu da bizim sintez protokolumuzda effektiv qrafen böyüməsi üçün CH4-dən istifadənin vacibliyini göstərir. Ümumilikdə, mövcud reaksiyamızda reaktivlərin seçilməsi və reaksiya temperaturu, metal katalizatorlar istifadə edən əvvəlki CVD ekvivalentlərindən fərqlənir və 3D ierarşik struktur ilə qrafen–SiO   yığının istehsalında əsas rol oynayır. 1 20 21 22 2 x Bir sıra skanerləşdirici elektron mikroskop (SEM) (Əlavə Şəkil  ) və keçirici elektron mikroskop (TEM) analizləri (Şəkil  ) CVD prosesi zamanı qrafen böyüməsi və morfoloji dəyişiklikləri əks etdirir. CVD prosesindən 5 dəqiqə sonra, SiO2 səthi boyunca kobud bir 2–3 qatlı qrafen filmi müşahidə edildi (Şəkil  , e), tozun rəngi qara çevrildi (Əlavə Şəkil  ). CVD prosesindən 30 dəqiqə sonra qrafen böyüməsi daha aydın göründü, burada 3D vərəq morfoloji aydın görünürdü (Şəkil  , f). Yüksək böyütməli TEM şəkli (Şəkil  ) qrafenin bir hissəsində altıbucaqlı atom düzülmələrini, onun bazal müstəvisini əks etdirir. 30 dəqiqədən sonra, SiO2 nanozarəciklərinin ölçülərinin orta hesabla 28.2-dən 15.3 nm-ə qədər azaldığı da müşahidə edildi (Əlavə Şəkil  ). Bu, qrafen böyüməsinin yuxarıda qeyd olunan SiO2 azalması və sonrakı OH− əmələ gəlməsini əhatə etməsi səbəbindən baş vermişdir. Buna görə də, ümumi qrafen böyüməsi, orijinal dənələrin hesabına istehsal olunan 3D həcimli quruluşda böyüyən qrafenə çox bənzəyir (Şəkil  ). 3a–f 1a–g 1b 3g 1c 1g 4 1h   SiO2 nanozarəciklərindən qrafen böyüməsi.  –  TEM xarakterizasiyası   CVD böyüməsindən əvvəl,   5 dəqiqə böyümədən sonra və   30 dəqiqə böyümədən sonra (ölçü çubuqları, 50 nm).  –  Onların müvafiq böyüdülmüş şəkilləri (ölçü çubuqları, 10 nm).   30 dəqiqəlik böyümədən sonra qrafenin daha yüksək böyütməli şəkli və ağ qutudan atom səviyyəli görünüşü (arada) (ölçü çubuğu, 2 nm).   SiO2 nanozarəciklərindən popkornabənzər qrafen böyüməsinin qrafik təsviri a c a b c d f g h Qrafen böyüməsi əlavə analizlər seriyası ilə daha da aydınlaşdırıldı. Böyümə zamanı əldə edilən rentgen difraksiyası (XRD) spektrləri, CVD prosesi davam etdikcə, qrafitin (002) və (101) müstəvilərinə uyğun gələn 2  = 26.44° və 44° bucaqlarında zirvələrin davamlı olaraq artdığını göstərir (Şəkil  ), bu da qrafik karbon əmələ gəlməsini bir daha təsdiqləyir , , . Qrafen böyüməsi həmçinin rentgen fotoelektron spektroskopiyası (XPS) analizinin C 1s qolundakı 284.5 və 291.5 eV zirvələri ilə də əks olundu (Şəkil  ) , . 284.5 eV-da olan zirvə qrafik karbon əmələ gəlməsi səbəbindən 30 dəqiqəlik böyümədən sonra əsaslı şəkildə görünən C–C və C = C rabitələrinə aid edilir. XPS analizinin Si 1s qolundakı mütərəqqi XPS zirvələri (Şəkil  ) CVD prosesi zamanı SiO2 azalmasını yenidən təsdiqləyir . Artan böyümə müddəti ilə 103 eV yaxınlığındakı zirvə, Si-nin azalmış oksidləşmə dərəcəsi səbəbindən daha aşağı əlaqə enerjilərinə doğru yer dəyişdi. Enerji dağıdıcı rentgen (EDX) xəritələşdirməsində (Şəkil  ) karbon siqnalının mövcudluğu və intensivliyinə əsaslanaraq, 5 dəqiqədən sonra belə, qrafen böyüməsinin həqiqətən də SiO   səthi boyunca baş verdiyi və 30 dəqiqədən sonra böyümənin bütün şəkil sahəsinə yayıldığı, Si və O isə homogen paylanmış qaldığı aşkar edilmişdir. Qrafenin çəki hissəsi və müxtəlif CVD böyümə müddətində GB-nin Raman analizi, xüsusi səth sahəsi və keçiricilik nəticələri Cədvəl  -də xülasə olunmuşdur. Xüsusi səth sahəsinə gəldikdə, reaksiya vaxtının artması ilə onun azalması, qrafen qatlarının birləşməsi və yığılması zamanı baş verən mütərəqqi qrafikləşməyə aiddir. Ətraflı Raman və termogravimetrik (TG) analiz spektrləri Əlavə Şəkil  -də təqdim olunur. θ 2a 23 24 25 2b 22 23 2c 25 2d–g x 1 5   Qrafen topunun böyümə zamanı analizi.  –  CVD prosesi zamanı qrafen böyüməsinin izlənməsi   XRD,   C 1s qolunda XPS və   Si 2p qolunda XPS istifadə edərək.  –  SiO2-dən 5 dəqiqə və  ,   30 dəqiqə qrafen böyüməsindən sonra C, O və Si-yə nisbətdə EDX elementar xəritələşdirməsi (ölçü çubuqları, 50 nm) a c a b c d g f g Qrafen topunun nikel-zəngin katod materialına örtülməsi Atom qalınlığında laylı morfolojiyə görə, qrafen yüksək tutumlu laylı katod materiallarının səthi qoruyucu örtülməsi üçün ən ideal materiallardan biri hesab olunur. Lakin, Hummer üsuluna əsaslanan tanınmış məhlul prosesləri halında , , , , qrafen vərəqləri arasındakı güclü elektrostatik qarşılıqdan yaranan yığılma səbəbindən, məhdud miqdarda qrafenlə bərabər örtülməni təmin etmək çətin deyil. Yığılma problemini həll etmək səyləri, top üyütmə prosesindən istifadə edərək qrafitin əzilməsi kimi fərqli bir üsul tətbiq edilmişdir . Bununla belə, bu proses adətən yavaşdır (>6 saat) və daha da kritik olaraq, ana materialın kristal quruluşuna zərər verə bilər. Həmçinin qeyd etmək lazımdır ki, CVD prosesləri ilə amorf karbon örtülməsi Ni-zəngin oksid materiallarına tətbiq edilmir , , çünki CVD prosesləri keçid metallarını (TM) çıxarır, ana materialın orijinal kristal quruluşunu pozur. 26 27 28 29 30 31 32 Bunun əksinə olaraq, bu tədqiqatda sintez edilmiş GB, kommersiya LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 tozunun səthinə (ölçü = ~10 µm) mild Nobelta üyütmə prosesi vasitəsilə 1 wt% minimal tərkibdə örtülə bilər. Örtmə prosesi də olduqca sürətlidir (~10 dəqiqə 3000 rpm-də). SiO   toxumları bu bərabər örtülməni aşağı çəki tərkibində təmin etməkdə kritik rol oynayır. SiO   toxumları GB-nin 57.5 wt%-ni təşkil edir (Əlavə Şəkil  -də TG nəticəsi) və örtmə prosesində, onların mövcudluğu GB-nin LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 səthinə dartma qüvvəsi tətbiq etməsinə, sıx qarşılıqlı əlaqə və hətta nüfuz etməsinə imkan verir. Bu had x x 5b

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

Bu audio hekayənin orijinal dilində hazırlanmışdır!

Daha Sürətli Şarj, Daha Uzun Ömür: Qrafenin Litium Batareyalara Kimliksizləşdirdiyi Təzəlik

About Author

ŞƏRHLƏR

ETİKET ASIN

BU MƏQALƏ TƏQDİM EDİLMİŞDİR

Related Stories

Women in Tech: Azize Sultan Shares Her Inspiring Journey from Architecture to Tech Leadership

Optimizing Operations for Real Estate Investors - Interview with Startups of the Year Nominee, Azibo

How Azarus's Technology is Transforming Viewer Engagement on Stream

Women in Tech: Azize Sultan Shares Her Inspiring Journey from Architecture to Tech Leadership

Optimizing Operations for Real Estate Investors - Interview with Startups of the Year Nominee, Azibo

How Azarus's Technology is Transforming Viewer Engagement on Stream

Light-Mode

Classic

Newspaper

Minty

Dark-Mode

Neon Noir

Minty

HN StartUps