
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 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 batareyalar üçün digər xüsusiyyətləri qurban vermədən bir xüsusiyyəti yaxşılaşdırmaq, əsas parametrlər arasındakı ticarət xarakterinə görə çətin bir məsələdir. Burada biz qrafen-silika yığımı, qrafen topu adlanan kimyəvi buxar çökdürmə prosesini təqdim edirik. Silikon oksid nanohissəcik mərkəzinə malik hiyerarşik üçölçülü quruluşu sayəsində, yalnız 1 wt% qrafen topu belə, miqyaslı Nobilta üyütmə yolu ilə nikellə zəngin təbəqəli katoda bərabər şəkildə örtülə bilər. Qrafen topu örtüyü zərərli yan reaksiyaları boğmaq və effektiv keçirici yollar təmin etməklə dövr həyatını və sürətli şarj qabiliyyətini yaxşılaşdırır. Qrafen topu özü də 716,2 mAh g−1 yüksək xüsusi tutuma malik anod materialı kimi çıxış edir. Qrafen topları ehtiva edən tam hüceyrə, qrafen topları olmayan nəzarət hüceyrəsi ilə müqayisədə həcmi enerji sıxlığını 27,6% artırır, ticarət hüceyrəsi şəraitində 800 Wh L−1 çatmaq imkanını göstərir, eyni zamanda 5C və 60 °C-də 500 dövrədən sonra 78,6% tutumun saxlanması ilə yüksək dövr həyatına malikdir. Giriş Litium-ion batareyaların (LIBs) davamlı inkişafı, onların işləməsinin müxtəlif aspektlərində, o cümlədən enerji sıxlığı, güc sıxlığı, dövr həyatı və təhlükəsizlik sahələrində əhəmiyyətli yaxşılaşmalara səbəb olmuşdur. Hazırda mobil İT cihazları LIB tətbiqlərinin əhəmiyyətli bir hissəsini təşkil edir, burada mövcud ən qabaqcıl LIB-lərin işləmə xüsusiyyətləri əsasən qənaətbəxşdir , , . Lakin, elektrikli nəqliyyat vasitələri (EVs) LIB bazarında nüfuz etdiyi üçün, əsas elektrokimyəvi xüsusiyyətlər daha çətin standartlar qoymuşdur; daha yüksək enerji sıxlıqları artan sürüş məsafəsi üçün istənildiyi halda, sürətli şarj və yüksək dərəcəli əməliyyatlar üçün təkmilləşdirilmiş reaksiya kinetikası tələb olunur. Təhlükəsizlik də EV tətbiqləri üçün şübhəsiz ki, kritik bir faktordur. Bu əsas xüsusiyyətlər arasındakı ticarət əlaqəsini aradan qaldırmaqda çətin bir məsələ mövcuddur; bir xüsusiyyəti digərlərini qurban vermədən yaxşılaşdırmaq adətən çətin olur. 1 2 3 Belə bir ticarət əlaqəsi, xüsusən enerji sıxlığı və sürətli şarj (və ya güc qabiliyyəti) arasında aydın görünür. Nano materialların aktiv komponentlər kimi istifadəsi ,  və karbon nano materiallarının əlavə edilməsi , ,  keçirici agentlər kimi, ion diffuziya məsafəsini və daxili müqaviməti azaldaraq şarj sürətlərini yaxşılaşdırdığı göstərilsə də, bu yanaşmaların əksəriyyəti mövcud LIB texnologiyasına tətbiq edilməzdən əvvəl daha çox təkmilləşdirmə tələb edir. Nano materialların həcmi sıxlıqları adi mikro hissəciklərdən xeyli aşağıdır, bu da həcmi enerji sıxlığı üçün zərərlidir, bu da qravimetrik qarşılıqdan çox, bir çox LIB tətbiqləri üçün kritik bir faktordur. Daxili müqavimətin azaldılması istiqamətində oxşar kontekstdə, qrafen kimi karbon nano materiallarının inteqrasiyası, laboratoriya miqyaslı elektrodların elektrik keçiriciliyini artırmaqda təsirli olmuşdur. Lakin, böyük miqyaslı məhlul prosesində az çəki tərkibinin (yəni, <3 wt%) karbon nano materiallarının bərabər paylanmasına hələ nail olunmamışdır. Xarici elementlərlə doping yolu ilə mövcud aktiv materialların modifikasiyası ,  və ya stöxiyometrik nəzarət , ,  Li ionlarının diffuzivliyini və dolayısıyla mikrometr ölçülü adi aktiv materialların şarj sürətini artıra bilər. Lakin bu yanaşmaların əksəriyyəti, xüsusi tutum hesabına təsirli olur. 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Bundan əlavə, enerji sıxlığı və sürətli şarjdan başqa, uzun dövr həyatına nail olmaq, xüsusən yüksək temperaturda (yəni, 60 °C), yüksək tutumlu elektrod materialları ehtiva edən qabaqcıl LIB-lər üçün hələ də bir çətinlik olaraq qalır. Nikel (Ni)-zəngin və Li-zəngin təbəqəli oksid materialları, LiCoO2-nin klassik həmkarı ilə müqayisədə üstün xüsusi tutumlarına görə gələcək katod materialları hesab olunsa da, şarj zamanı qaçılmaz kation qarışığının təbəqəli çərçivəni spinel və ya daş duz strukturlarına zədələdiyi, eyni zamanda elektrod səthində istənməyən yan reaksiyalarla birlikdə yaxşı məlumdur. Bu günə qədər görülən səyləri nəzərə alaraq, enerji sıxlığı və dövr həyatı itkisi olmayan sürətli şarjın dərhal əldə edilməsi üçün ən real həllərdən biri, minimal tərkibdə aktiv materiallar üzərində bərabər şəkildə örtülə bilən keçirici qoruyucu materiallar tapmaqdır. Qrafen toxunuşlu qabaqcıl anod materialları tapmaq da vacibdir, çünki mövcud qrafen anodları yüksək dərəcəli şarj zamanı Li metalının çökdürülməsindən əziyyət çəkir. Burada biz qrafen-silika (SiO   ) yığımı təqdim edirik, qrafen topu (GB) adlanır, yüksək tutumlu Ni-zəngin təbəqəli katod materialları üçün örtücü material kimi, eyni zamanda LIB anod materialı kimi də istifadə olunur. Hər bir GB, bir SiO   nanohissəcik mərkəzindən və ətrafındakı qrafen təbəqələrindən ibarətdir, bu da üçölçülü (3D) popkornabənzər quruluş yaradır. SiO   nanohissəcikləri bir çox cəhətdən, o cümlədən SiO   -qrafen interfeysində qrafen böyüməsi zamanı silikon karbid (SiC) təbəqəsinin əmələ gəlməsinin qarşısını almaq, GB-nin katod materialına bərabər örtülməsini təmin etmək və GB anod materialı kimi istifadə edildikdə yüksək xüsusi tutum təmin etmək kimi mühüm rol oynayır. Ni-zəngin təbəqəli katod üzərində GB-nin bərabər örtülməsi elektrolitlə interfeys sabitliyini və elektrod boyu elektron keçiriciliyini artırır, bununla da katodun dövr həyatını və sürətli şarj qabiliyyətini əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşdırır. GB-nin unikal üstünlüklərini nəzərə alaraq, GB-örtülmüş katod və GB anodundan ibarət tam hüceyrə, ticarət hüceyrəsi şəraitində 800 Wh L−1-ə yaxın yüksək həcmi enerji sıxlığı imkanını, eyni zamanda 5C və 60 °C-də 500 dövrədən sonra 78,6% tutumun saxlanması ilə birlikdə nümayiş etdirir. x x x x Nəticələr Qrafen topunun sintezi Popkornabənzər GB-ni sintez etmək üçün biz qrafen böyüməsi üçün kimyəvi buxar çökdürmə (CVD) prosesi inkişaf etdirdik. 1000 °C-də SiO2 nanohissəciklərinin (diametri 20–30 nm) iştirakında CH4 qazı bir sobaya daxil edildi. Bu temperaturda, CH4 H2 atomları əmələ gəlməsi üçün parçalanır ki, bu da sonradan SiO2-ni SiO   -ə (  < 2) endirə bilər. OH− də eyni zamanda aşağıdakı reaksiya vasitəsilə 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 qrafik karbonun əmələ gəlməsini asanlaşdıran yüngül oksidant kimi çıxış edir , . Yüngül oksidantların qrafik karbonun əmələ gəlməsindəki rolu son zamanlarda elmi ədəbiyyatda  belə izah edilmişdir ki, yüngül oksidant olmadan, amorf karbonun əmələ gəlməsi daha dominantdır. Lakin, yüngül oksidantın iştirakı, CO və ya CO2 əmələ gəlməsinə doğru reaksiyanın üstünlük təşkil etdiyi aşkar edilmişdir ki, bu da əks halda amorf karbona çevriləcək karbon atomları üçün əlverişlidir. Əslində, metal katalizatorlardan istifadə edərək qrafenin asan böyüməsinin oxşar şəkildə baş verdiyi məlumdur , , , burada metal səthində qalan oksigen qrafik karbon əmələ gəlməsinə doğru üstün reaksiyanı təşviq edir. Yüngül oksidantın olması SiO   səthində silikon karbid (SiC) təbəqəsinin əmələ gəlməsinin qarşısını alır, çünki oksidant Si-nin SiC əmələ gəlməsinə endirilməsini maneə törədir . x 14 15 16 17 18 19 x 19 Yalnız CH4 istifadəsinə əsaslanan reaksiya sxemimizdə, 900 °C-dən aşağı temperaturlarda, qrafen demək olar ki, böyüməmişdir. Əksinə, 1050 °C və yuxarıda, qrafen böyüməsi qrafit əmələ gəlməsinə doğru çox aqressiv olmuşdur (Əlavə Şəkil  ). Xüsusilə, 1000 °C böyümə temperaturu, metal katalizatorlar olmadan Si və SiO2 substratları üçün adətən istifadə edilən temperaturdan (1100–1400 °C) aşağıdır , , . Böyümə mühitinin kritik rolu bir nəzarət təcrübəsi ilə aydınlaşdırılmışdır (Əlavə Şəkil  ); metal katalizatorlardan istifadə edən adi CVD proseslərinə uyğun olaraq, 1000 °C-də 3:7 həcmi axın nisbətində CH4 və H2 qazları daxil edilmişdir. CH4-ün parçalanması H2-nin böyük miqdarı tərəfindən maneə törədildiyinə görə, qrafen böyüməsi həqiqətən də çox yavaş olmuş, bu da bizim sintez protokolumuzda effektiv qrafen böyüməsində yalnız CH4 istifadəsinin əhəmiyyətini göstərmişdir. Ümumilikdə, cari reaksiya sxemində reaktantların və reaksiya temperaturunun seçimi, metal katalizatorlar istifadə edən əvvəlki CVD həmkarı proseslərindən fərqlənir və 3D hiyerarşik quruluşa malik qrafen–SiO   yığımının istehsalında əsas rol oynayır. 1 20 21 22 2 x Bir sıra skanerləşdirici elektron mikroskop (SEM) (Əlavə Şəkil  ) və transmissiya elektron mikroskop (TEM) təhlilləri (Şəkil  ) CVD prosesi zamanı qrafen böyüməsi və morfoloji dəyişiklikləri əks etdirir. CVD prosesindən 5 dəqiqə sonra, SiO2 səthi boyunca zəif şəkildə 2–3 təbəqəli qrafen film müşahidə olunmuşdur (Şəkil  , e), tozun rəngi qara olmuşdur (Əlavə Şəkil  ). CVD prosesindən 30 dəqiqə sonra qrafen böyüməsi daha nəzərə çarpacaq dərəcədə olmuşdur, burada 3D təbəqə morfoloji aydın görünürdü (Şəkil  , f). Yüksək böyütməli TEM şəkli (Şəkil  ) qrafenin bir hissəsində altıbucaqlı atom düzülüşünü əks etdirir, bu da onun bazal müstəvisini göstərir. 30 dəqiqədən sonra, SiO2 nanohissəciklərinin diametrinin orta hesabla 28,2-dən 15,3 nm-ə qədər azaldığı müşahidə olunmuşdur (Əlavə Şəkil  ). Bu, qrafen böyüməsinin yuxarıda qeyd olunan SiO2-nin reduksiyası və sonrakı OH− əmələ gəlməsini əhatə etdiyinə görə baş vermişdir. Beləliklə, ümumi qrafen böyüməsi, orijinal dənələrin xərci hesabına istehsal olunan 3D həcmli quruluşda genişlənən popkornla demək olar ki, eynidir (Şəkil  ). 3a–f 1a–g 1b 3g 1c 1g 4 1h   SiO2 nanohissəciklərindən qrafen böyüməsi.  –  TEM xarakteristikası   CVD böyüməsindən əvvəl,   5 dəqiqəlik böyümədən sonra və   30 dəqiqəlik böyümədən sonra (ölçü çubuqları, 50 nm).  –  Onların müvafiq böyüdülmüş şəkilləri (ölçü çubuqları, 10 nm).   30 dəqiqəlik böyümədən sonra qrafenin daha yüksək böyütməli şəkli və onun atom səviyyəli görünüşü (ağ qutudan) (ölçü çubuğu, 2 nm).   SiO2 nanohissəciklərindən popkornabənzər qrafen böyüməsinin qrafik təsviri a c a b c d f g h Qrafen böyüməsi bir sıra əlavə təhlillərlə daha da aydınlaşdırılmışdır. Böyümə zamanı əldə edilən rentgen difraksiya (XRD) spektrləri göstərir ki, CVD prosesi davam etdikcə, qrafitin (002) və (101) müstəvilərinə uyğun gələn 2  = 26.44° və 44°-dəki piklər davamlı olaraq böyüyür (Şəkil  ), bu da yenidən qrafik karbonun əmələ gəlməsini təsdiqləyir , , . Qrafen böyüməsi, eyni zamanda rentgen fotoelektron spektroskopiya (XPS) təhlilinin C 1s qolundakı 284,5 və 291,5 eV-dəki piklərdə də əks olunmuşdur (Şəkil  ) , . 284,5 eV-dəki pik, qrafik karbon əmələ gəlməsi səbəbindən 30 dəqiqəlik böyümədən sonra xüsusilə nəzərə çarpan C–C və C = C rabitələrinə aid edilir. XPS təhlilinin Si 1s qolundakı XPS piklərinin artması (Şəkil  ), CVD prosesi zamanı SiO2-nin reduksiyasını yenidən təsdiqləyir . 103 eV yaxınındakı pik, Si-nin oksidləşmə dərəcəsinin azalması səbəbindən daha aşağı bağ enerjilərinə doğru sürüşmüşdür. Enerji dağınıqlığı rentgen (EDX) xəritəçiliyindəki karbon siqnalının mövcudluğu və intensivliyinə (Şəkil  ) əsaslanaraq, 5 dəqiqədən sonra belə, SiO   səthi boyunca qrafen böyüməsinin baş verdiyi, 30 dəqiqədən sonra isə böyümənin bütün şəkil sahəsinə yayıldığı, Si və O isə bərabər paylandığı müəyyən edilmişdir. Qrafenin çəki hissəsi və müxtəlif CVD böyümə vaxtında GB-nin Raman təhlili, xüsusi səth sahəsi və keçiricilik nəticələri Cədvəl  -də xülasə olunmuşdur. Xüsusi səth sahəsinə gəldikdə, reaksiya vaxtının artması ilə onun azalması, qrafen təbəqələrinin birləşməsi və yığılması zamanı qrafenləşmənin artması ilə əlaqədardır. Əlavə Raman və termoqravimetrik (TG) təhlilləri Əlavə Şəkil  -də təqdim edilmişdir. θ 2a 23 24 25 2b 22 23 2c 25 2d–g x 1 5   Qrafen topunun böyüməsi zamanı təhlili.  –  CVD prosesi zamanı qrafen böyüməsinin izlənməsi   XRD,    XPS C 1s qolunda və   XPS Si 2p qolunda istifadə olunmaqla.  –  5 dəqiqə və   ,  a c a b c d g f g** 30 dəqiqəlik qrafen böyüməsindən sonra SiO2-dən C, O və Si-yə görə EDX element xəritələri (ölçü çubuqları, 50 nm) 
 
 
 
 Qrafen topunun Ni-zəngin katod materialına örtülməsi Atom-qalın təbəqəli morfolojisinə görə, qrafen yüksək tutumlu təbəqəli katod materiallarının səthi qoruyucu örtülməsi üçün ən ideal materiallardan biri hesab olunur. Lakin, Hummer metodu əsasında məlum olan məhlul prosesləri , , ,  halında, qrafen tərkibinin məhdud olması səbəbindən bərabər örtülməyə nail olmaq çətindir, çünki qrafen təbəqələri arasındakı güclü elektrostatik qarşılıq səbəbindən yığılma baş verir. Yığılma problemini həll etmək səylərində, qrafenin ball-milling prosesindən istifadə edərək parçalanması kimi fərqli bir yanaşma tətbiq edilmişdir . Lakin, bu proses adətən yavaştır (>6 saat) və daha kritik olaraq, ana materialın kristal quruluşuna zərər verə bilər. Həmçinin qeyd edilməlidir ki, CVD prosesləri ilə amorf karbon örtülməsi Ni-zəngin oksid materiallarına ,  tətbiq oluna bilməz, çünki CVD prosesləri keçid metalları (TMs) çıxarır, ana materialın orijinal kristal quruluşunu pozur. 26 27 28 29 30 31 32 Əksinə, bu tədqiqatda sintez edilmiş GB, kommersiya LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 tozu (ölçü = ~10 µm) üzərinə yüngül Nobilta üyütmə prosesi yolu ilə 1 wt% minimum tərkibdə örtülə bilər. Örtülmə prosesi də olduqca sürətdir (~10 dəqiqə 3000 rpm-də). SiO   toxumları bu bərabər örtülməni aşağı çəki tərkiblərində təmin etməkdə kritik rol oynayır. SiO   toxumları GB-nin 57,5 wt%-ini təşkil edir (Əlavə Şəkil  -də TG nəticəsi) və örtülmə prosesində, onların mövcudluğu GB-nin LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 səthinə bir kəsmə qüvvəsi tətbiq etməsinə imkan verir, sıx qarşılıqlı təsir yaradır və hətta nüfuz edir. Bu hadisəni təsdiql 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: Qrafenlə Litium Batareyalara Yüksəltmə Tədbiri

About Author

ŞƏRHLƏR

ETİKET ASIN

BU MƏQALƏ TƏQDİM EDİLMİŞDİR

Related Stories

How Azarus's Technology is Transforming Viewer Engagement on Stream

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

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

How Azarus's Technology is Transforming Viewer Engagement on Stream

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

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