```html
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 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 Lityum-ion batareyalar üçün digər xüsusiyyətləri qurban vermədən bir xüsusiyyəti yaxşılaşdırmaq, əsas parametrlər arasındakı tarazlıq səbəbindən çətindir. Burada biz qrafen–silika yığımı, qrafen topu adlanan, kimyəvi buxar çökeltmə prosesini təqdim edirik. Silikon oksid nanozar sikkəsindən ibarət olan iyerarşik üçölçülü quruluşu sayəsində, hətta 1 wt% qrafen topu belə, miqyaslı Nobilta üyütmə vasitəsilə nikel-zəngin qatlı katoda vahid şəkildə örtülə bilər. Qrafen topu örtüyü zərərli yan reaksiya əmələ gəlməsini basdıraraq və effektiv keçirici yollar təmin edərək dövr həyatını və sürətli doldurma qabiliyyətini artırır. Qrafen topunun özü də 716,2 mAh g−1 yüksək xüsusi tutuma malik anod materialı kimi xidmət edir. Qrafen topları olan tam hüceyrə, qrafen topları olmayan nəzarət hüceyrəsi ilə müqayisədə həcmi enerji sıxlığını 27,6% artırır, ticarət hüceyrəsi şəraitində 800 Wh L−1 əldə etmək imkanını göstərir, eyni zamanda 5C və 60 °C-də 500 dövrədən sonra 78,6% tutumun qalması ilə yüksək dövrə qabiliyyətinə malikdir. Giriş Lityum-ion batareyaların (LIB) davamlı inkişafı, enerji sıxlığı, güc sıxlığı, dövr həyatı və təhlükəsizlik kimi müxtəlif əməliyyat aspektlərində əhəmiyyətli irəliləyişlərə səbəb olmuşdur. Hazırda mobil İT cihazları LIB tətbiqlərinin əhəmiyyətli bir hissəsini təşkil edir, burada cari ən qabaqcıl LIB-lərin işləmə xüsusiyyətləri əsasən qənaətbəxşdir , , . Bununla belə, elektrik nəqliyyat vasitələri (EN) LIB bazarlarına nüfuz etdikcə, əsas elektrokimyəvi xüsusiyyətlər daha çətin standartlar müəyyən etdi; daha yüksək enerji sıxlıqları artan qaçış məsafəsi üçün istənildiyi halda, sürətli doldurma və yüksək sürətli əməliyyatlar üçün təkmilləşdirilmiş reaksiya kinetikləri tələb olunur. EN tətbiqləri üçün təhlükəsizlik də şübhəsiz ki, kritik bir faktordur. Bu əsas xüsusiyyətlər arasındakı tarazlıq münasibətini aradan qaldırmaqda çətin bir məsələ var; adətən bir xüsusiyyəti digərlərini qurban vermədən yaxşılaşdırmaq çətin deyildir. 1 2 3 Belə bir tarazlıq münasibəti enerji sıxlığı və sürətli doldurma (və ya güc qabiliyyəti) arasında xüsusilə açıqdır. Aktiv komponentlər kimi nano-materialların istifadəsi ,  və karbon nano-materiallarının daxil edilməsi , ,  keçirici agent kimi ion difuziya məsafəsini və daxili müqaviməti azaldaraq doldurma sürətini yaxşılaşdırdığı halda, bu yanaşmaların əksəriyyəti mövcud LIB texnologiyasına tətbiq edilməzdən əvvəl daha çox təkmilləşdirməyə ehtiyac duyur. Nano-materialların səpələmə sıxlıqları adi mikrosəviyyəli hissəciklərdən xeyli aşağıdır, bu da bir çox LIB tətbiqləri üçün qravimetrik həmcinsdən daha vacib bir faktor olan həcmi enerji sıxlığına zərər verir. Daxili müqavimətin azaldılması istiqamətində oxşar kontekstdə, qrafen kimi karbon nano-materiallarının birləşdirilməsi, laboratoriya səviyyəli elektrodların elektrik keçiriciliyini artırmaqda təsirli olduğunu göstərmişdir. Lakin, böyük miqyaslı bir məhlul prosesində kiçik bir çəki tərkibinin (yəni <3 wt%) karbon nano-materiallarının vahid paylanmasını təmin etmək hələ də nümayiş olunmamışdır. Xarici elementlərlə doping etməklə mövcud aktiv materialların modifikasiyası ,  və ya stöykometrik nəzarət , ,  Li ionlarının diffuzivliyini və buna görə də mikrometr ölçülü adi aktiv materialların doldurma sürətini artıra bilər. Lakin bu yanaşmaların əksəriyyəti, xüsusi tutumun hesabına təsirlidir. 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Bundan əlavə, enerji sıxlığı və sürətli doldurmadan başqa, uzun dövr həyatı, xüsusilə yüksək temperaturlarda (yəni 60 °C) nail olmaq, yüksək tutumlu elektrod materiallarını birləşdirən qabaqcıl LIB-lər üçün hələ də çətin olaraq qalır. Nikel (Ni)-zəngin və Li-zəngin qatlı oksid materialları, onların klassik LiCoO2 həmcinslərinə nisbətən üstün xüsusi tutumlarına görə yaxınlaşan katod materialları kimi qəbul edildiyi halda, doldurma zamanı istər-istəməz baş verən kation qarışığının qatlı çərçivəni spinel və ya daş-duz strukturlarına deqradasiya etməsi, eləcə də elektrod səthində arzuolunmaz yan reaksiyalarla birlikdə olduğu yaxşı məlumdur. İndiyə qədər görülən səyləri nəzərə alaraq, enerji sıxlığı və dövr həyatında əhəmiyyətsiz itki ilə katod materiallarının dərhal sürətli doldurulmasını təmin etmək üçün ən real həllərindən biri, minimal tərkibdə aktiv materiallara vahid şəkildə örtülə bilən keçirici qoruyucu materiallar tapmaqdır. Cari qrafit anodları yüksək sürətli doldurma zamanı Li metalı çöküntüsündən əziyyət çəkdiyi üçün qabaqcıl anod materiallarının tapılması da vacibdir. Burada biz yüksək tutumlu Ni-zəngin qatlı katod materialları üçün örtü materialı, eləcə də LIB anod materialı kimi qrafen–silika (SiO   ) yığımı, qrafen topu (GB) təqdim edirik. Hər bir GB, SiO   nanozar sikkəsi mərkəzindən və ətrafındakı qrafen qatlarından ibarətdir, bu da üçölçülü (3D) popcornabənzər bir struktur təşkil edir. SiO   nanozərrəcikləri bir çox cəhətdən mühüm rol oynayır, məsələn, SiO   –qrafen interfeysində qrafen böyüməsi zamanı silikon karbid (SiC) təbəqəsinin əmələ gəlməsini istisna etmək, GB-nin katod materialına vahid örtülməsini təmin etmək və GB anod materialı kimi istifadə edildikdə yüksək xüsusi tutum təmin etmək. GB-nin Ni-zəngin qatlı katoda vahid örtülməsi, elektrolitlə interfeys sabitliyini və elektrod üzrə elektron keçiriciliyini artırır, katodun dövrə qabiliyyətini və sürətli doldurma qabiliyyətini əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşdırır. GB-nin unikal üstünlüklərini nəzərə alaraq, GB-örtülü katod və GB anoddan ibarət tam hüceyrə, ticarət hüceyrəsi şəraitində 800 Wh L−1-ə yaxın yüksək həcmi enerji sıxlığı imkanını, eləcə də 5C və 60 °C-də 500 dövrədən sonra 78,6% tutum qalması ilə nümayiş etdirir. x x x x Nəticələr Qrafen topunun sintezi Popcornabənzər GB-ni sintez etmək üçün biz qrafen böyüməsi üçün kimyəvi buxar çökeltmə (CVD) prosesi hazırladıq. CH4 qazı, 1000 °C-də SiO2 nanozar sikkələrinin iştirakında bir soba verərək təmin edildi. Bu temperaturda CH4 ayrışaraq hidrogen atomları yaradır, bunlar daha sonra SiO2-ni SiO   (  <2) qədər azaldır. OH− həmçinin aşağıdakı reaksiyaya görə eyni vaxtda istehsal olunur: x x Bu reaksiyada əsas xüsusiyyət ondan ibarətdir ki, əmələ gələn SiO   qrafen böyüməsi üçün katalitik yerlər təmin edir və OH− qrafenə doğru qrafikli karbonun əmələ gəlməsini asanlaşdıran bir zəif oksidant kimi xidmət edir , . Zəif oksidantların qrafikli karbonun əmələ gəlməsindəki rolu son zamanlarda   belə izah edilmişdir ki, zəif oksidant olmadan amorf karbonun əmələ gəlməsi daha dominantdır. Lakin, zəif oksidant iştirakında, CO və ya CO2 əmələ gəlməsi üçün karbon atomları üçün üstünlük verildiyi aşkar edilmişdir, əks halda amorf karbona çevriləcəkdi. Əslində, metal katalizatorlarından istifadə edərək qrafenin asan böyüməsinin oxşar şəkildə baş verdiyi məlumdur , , , burada metal səthində qalan oksigen qrafikli karbon əmələ gəlməsinə doğru üstün reaksiyaya səbəb olur. Zəif oksidantın olması SiO   səthində silikon karbid (SiC) təbəqəsinin əmələ gəlməsini istisna edir, çünki oksidant Si-nin SiC əmələ gəlməsinə qədər azalmasını istisna edir . x 14 15 16 17 18 19 x 19 Eksklüziv CH4 istifadəsinə əsaslanan reaksiya sxemimizdə, 900 °C-dən aşağı temperaturlarda qrafen demək olar ki, böyümədi. Əksinə, 1050 °C və yuxarıda, qrafen böyüməsi qrafen əmələ gəlməsi üçün çox aqressiv idi (Əlavə Şəkil  ). Xüsusilə, 1000 °C böyümə temperaturu, metal katalizatorları olmadan Si və SiO2 substratlar üçün CVD-əsaslı qrafen böyüməsi üçün adətən istifadə olunanlardan (1100–1400 °C) aşağıdır , , . Böyümə mühitinin kritik rolu bir nəzarət təcrübəsi ilə aydınlaşdırıldı (Əlavə Şəkil  ); metal katalizatorlarından istifadə edərək adi CVD proseslərini izləyərək, 1000 °C-də 3:7 həcm nisbətində CH4 və H2 verildi. CH4-ün ayrışması H2-nin böyük miqdarı ilə məhdudlaşdırıldığı üçün, qrafen böyüməsi həqiqətən də çox yavaş idi, bu da bizim sintez protokolumuzda effektiv qrafen böyüməsi üçün eksklüziv CH4 istifadəsinin vacibliyini göstərdi. Ümumiyyətlə, mövcud reaksiya sxemində reaktivlərin və reaksiya temperaturunun seçimi, metal katalizatorları tətbiq edən əvvəlki CVD həmcinslərindən fərqlənir və 3D iyerarşik struktura malik qrafen–SiO   yığmasının istehsalında əsas rol oynayır. 1 20 21 22 2 x Bir sıra skan edən elektron mikroskop (SEM) (Əlavə Şəkil  ) və ötürücü elektron mikroskop (TEM) təhlilləri (Şəkil  ) CVD prosesi zamanı aparılmışdır, bunlar qrafen böyüməsi və morfoloji dəyişiklikləri əks etdirir. CVD prosesindən 5 dəqiqə sonra, SiO2 səthi boyunca zəif şəkildə 2–3 qatlı qrafen filmi müşahidə edildi (Şəkil  , e), tozun rəngi qara çevrildi (Əlavə Şəkil  ). Qrafen böyüməsi CVD prosesindən 30 dəqiqə sonra daha aydın şəkildə müşahidə edildi, burada 3D vərəq morfoloji aydın görünürdü (Şəkil  , f). Yüksək böyütməli TEM şəkli (Şəkil  ) qrafenin bir hissəsindəki altıbucaqlı atomik düzümləri əks etdirir, bu da onun bazal müstəvisini göstərir. 30 dəqiqədən sonra, SiO2 nanozar sikkələrinin 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 verdi. Buna görə də, ümumi qrafen böyüməsi, orijinal dənələrin hesabına istehsal olunan 3D həcmli strukturda genişlənən popcorna bənzəyir (Şəkil  ). 3a–f 1a–g 1b 3g 1c 1g 4 1h   SiO2 nanozar sikkələrindən qrafen böyüməsi.  –  TEM xarakteristikası   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 dəqiqə böyümədən sonra qrafenin daha yüksək böyüdülmüş şəkli və ağ qutudan (daxil edilmiş) atom səviyyəli görünüşü (ölçü çubuğu, 2 nm).   SiO2 nanozar sikkələrindən popcornabənzər qrafen böyüməsinin qrafik təsviri a c a b c d f g h Qrafen böyüməsi bir sıra əlavə təhlillərlə daha da aydınlaşdırıldı. Böyümə zamanı əldə edilmiş rentgen diffraksiyası (XRD) spektrləri göstərir ki, CVD prosesi davam etdikcə, qrafitin (002) və (101) müstəvilərinə uyğun gələn 2  = 26,44° və 44°-dəki piklər davamlı olaraq artmışdır (Şəkil  ), bu da yenidən qrafikli karbonun əmələ gəlməsini təsdiqləyir , , . Qrafen böyüməsi həmçinin rentgen fotoelektron spektroskopiyasının (XPS) C 1s qolunun 284,5 və 291,5 eV-dakı piklərində əks olundu (Şəkil  ) , . 284,5 eV-dakı pik, qrafikli karbon əmələ gəlməsi səbəbindən 30 dəqiqəlik böyümədən sonra aydın şəkildə görünən C–C və C = C rabitələrinə aid edilir. XPS təhlilinin Si 1s qolundakı mütərəqqi XPS pikləri (Şəkil  ) CVD prosesi zamanı SiO2-nin azaldılmasını yenidən təsdiqləyir . Si-nin oksidləşmə dərəcəsinin azalması səbəbindən 103 eV-a yaxın pik, daha aşağı əlaqə enerjilərinə doğru dəyişdi. Enerji paylayıcı rentgen (EDX) xəritələşdirilməsində (Şəkil  ) karbon siqnalının mövcudluğu və intensivliyinə əsasən, 5 dəqiqədən sonra belə qrafen böyüməsinin SiO   səthi boyunca baş verdiyi və 30 dəqiqədən sonra, Si və O vahid şəkildə paylandığı halda böyümənin bütün təsvir sahəsinə yayıldığı aşkar edildi. Qrafenin çəki hissəsi, eləcə də müxtəlif CVD böyümə vaxtlarında GB-nin Raman təhlili, xüsusi səth sahəsi və keçiricilik nəticələri Cədvəl  -də xülasə edilmişdir. Xüsusi səth sahəsinə gəldikdə, reaksiya müddəti artdıqca onun azalması, qrafen qatlarının birləşməsi və yığılması nəticəsində mütərəqqi qrafikləşməyə aid edilir. Ətraflı Raman və termoqravimetrik (TG) təhlil spektrləri Əlavə Şəkildə verilmişdir  . θ 2a 23 24 25 2b 22 23 2c 25 2d–g x 1 5   Onun böyüməsi zamanı qrafen topunun təhlili.  –  CVD prosesi zamanı qrafen böyüməsini   XRD,   XPS C 1s qolunda və   XPS Si 2p qolundan istifadə edərək izləmə.  –  SiO2-dən 5 dəqiqəlik və  ,   30 dəqiqəlik qrafen böyüməsindən sonra C, O və Si-yə nisbətən EDX elementar xəritələşdirilməsi (ölçü çubuqları, 50 nm) a c a b c d g f g Nikel-zəngin katod materialına qrafen topunun örtülməsi Atom qalınlığında təbəqəli morfolojisi səbəbindən qrafen, yüksək tutumlu qatlı katod materiallarının səthinin qoruyucu örtülməsi üçün ən ideal materiallardan biri kimi qəbul edilmişdir. Lakin, Hummer üsuluna əsaslanan məlum məhlul proseslərində , , , , qrafen səhifələri arasındakı güclü elektrostatik qarşılıq səbəbindən qrafen yığınları səbəbindən məhdud tərkiblə vahid örtülmə əldə etmək çətin deyil. Yığın məsələsini həll etmək səylərində, top üyütmə prosesindən istifadə edərək qrafitin əzilməsi kimi fərqli bir yanaşma tətbiq edilmişdir . Lakin, bu proses adətən yavaştır (>6 saat) və daha da əhəmiyyətlisi, ev sahibi materialın kristal quruluşuna zərər verə bilər. Həmçinin qeyd edilməlidir ki, CVD prosesləri ilə amorf karbon örtülməsi, çünki CVD prosesləri keçid metallarını (TM) çıxarır, ev sahibi materialın orijinal kristal quruluşunu pozur , . 26 27 28 29 30 31 32 Əksinə, bu tədqiqatda sintez edilmiş GB, ticarət LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 tozunun səthinin minimal 1 wt% tərkibində, yüngül Nobilta üyütmə prosesi vasitəsilə örtülə bilər. Örtmə prosesi də olduqca sürətlidir (~10 dəqiqə 3000 rpm-də). SiO   toxumları bu vahid örtülməni aşağı çəki tərkiblərində mümkün etmək üçün kritik rol oynayır. SiO   toxumları GB-nin 57,5 wt%-ni təşkil edir (Əlavə Şəkil  -dəki TG nəticəsi) və örtülmə prosesində onların mövcudluğu GB-nin LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 səthinə kəsmə qüvvəsi tətbiq etməsinə imkan verir, sıx qarşılıqlı təsir yaradır və hətta nüfuz edir. Bu hadisəni təsdiqləmək üçün eyni örtülmə prosesi 0,5 wt% SiO2 və 0,5 wt% qrafenin fiziki qarışığı ilə həyata keçirilmişdir. Bu nümunə, LiNi0. 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 Doldurma, Daha Uzun Ömür: Litium Batareyalarda Qrafenin Gizli Dəyişikliyi

About Author

ŞƏRHLƏR

ETİKET ASIN

BU MƏQALƏ TƏQDİM EDİLMİŞDİR

Related Stories

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

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

Light-Mode

Classic

Newspaper

Minty

Dark-Mode

Neon Noir

Minty

HN StartUps