
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 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 kompromis təbiəti səbəbindən çətindir. Burada biz qrafen-silika yığımı, qrafen topu adlanan bir kimyəvi buxar çökdürmə prosesini bildiririk. Silikon oksid nanozaracık mərkəzli iyerarşik üçölçülü quruluşu sayəsində, cəmi 1 əd. ç./kq qrafen topu, şkalalanabilən Nobilta üyütməsi ilə nikel baxımından zəngin təbəqəli katoda bərabər şəkildə örtülə bilər. Qrafen topu örtüyü zərərli yan reaksiyaları yatırmaqla və effektiv keçirici yollar təmin etməklə tsikl ömrünü və sürətli şarj qabiliyyətini yaxşılaşdırır. Qrafen topu özü də 716.2 mAh/q yüksək xüsusi tutumu ilə anod materialı kimi çıxış edir. Qrafen topları ilə təchiz edilmiş tam hüceyrə, qrafen topları olmayan idarəetmə hüceyrəsi ilə müqayisədə həcmi enerji sıxlığını 27.6% artırır, ticarət hüceyrəsi şəraitində 800 Vt/kq-a çatmaq imkanını göstərir, 5C və 60°C-də 500 tsikldən sonra 78.6% tutumun saxlanması ilə yüksək tsikllənə bilmə qabiliyyətinə malikdir. Giriş Litium-ion batareyaların (LIBs) davam etdirilən inkişafı onların işləməsinin müxtəlif aspektlərində, o cümlədən enerji sıxlığı, güc sıxlığı, tsikl ömrü və təhlükəsizlikdə əhəmiyyətli təkmilləşmələrə səbəb olmuşdur. Hazırda, mobil İT cihazları LIB tətbiqlərinin əhəmiyyətli bir hissəsini təşkil edir, burada mövcud olan ən qabaqcıl LIB-lərin işləmə xüsusiyyətləri əsasən qənaətbəxşdir , , . Bununla belə, elektrik nəqliyyat vasitələri (EVs) LIB bazarlarına nüfuz etdiyi üçün, əsas elektrokimyəvi xüsusiyyətlər daha çətin standartlar tələb etmişdir; daha yüksək enerji sıxlığı artan sürüş məsafəsi üçün arzu edilirsə, sürətli şarj və yüksək sürətli əməliyyatlar üçün təkmilləşdirilmiş reaksiya kinetikası tələb olunur. Təhlükəsizlik də EV tətbiqləri üçün mühüm bir amildir. Bunların öhdəsindən gəlməkdə çətinlik bu əsas xüsusiyyətlər arasındakı kompromis əlaqəsini aşmaqdır; bir xüsusiyyəti digərlərini qurban vermədən yaxşılaşdırmaq adətən asan deyil. 1 2 3 Belə bir kompromis əlaqəsi, xüsusilə enerji sıxlığı ilə sürətli şarj (və ya güc qabiliyyəti) arasında aydın görünür. Aktiv komponentlər kimi nanomaterialların istifadəsi ,  və keçirici agentlər kimi karbon nanomateriallarının daxil edilməsi , ,  ion diffuziya məsafəsini və daxili müqaviməti azaldaraq şarj sürətini yaxşılaşdırmışdır, lakin bu yanaşmaların əksəriyyəti mövcud LIB texnologiyasına tətbiq olunmadan əvvəl daha çox təkmilləşdirmə tələb edir. Nanomaterialların sıxılma sıxlığı adi mikro-zərrəciklərdən xeyli aşağıdır, bu da həcmi enerji sıxlığı üçün zərərlidir, bu da qravimetrik həmkardan çoxsaylı LIB tətbiqləri üçün əsas amildir. Daxili müqavimətin azaldılması istiqamətində oxşar bir kontekstdə, qrafen kimi karbon nanomateriallarının birləşdirilməsi laboratoriya miqyaslı elektrodların elektrik keçiriciliyini artırmaqda təsirli olmuşdur. Bununla belə, böyük miqyaslı bir məhlul prosesində kiçik çəki tərkibinin (yəni, <3 əd. ç./kq) karbon nanomateriallarının bərabər paylanmasını təmin etmək hələ də sübut olunmamışdır. Xarici elementlərlə doping etməklə mövcud aktiv materialların modifikasiyası ,  və ya stöykrometrik nəzarət , ,  Li ionlarının diffuziyasını artıra bilər və buna görə də mikrometr ölçülü adi aktiv materialların şarj sürətini artıra bilər. Bununla belə, bu yanaşmaların əksəriyyəti xüsusi tutum hesabına effektivdir. 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Bundan əlavə, enerji sıxlığı və sürətli şarjdan başqa, uzun tsikl ömrünə nail olmaq, xüsusilə yüksək temperaturda (yəni, 60°C), yüksək tutumlu elektrod materiallarını ehtiva edən qabaqcıl LIB-lər üçün çətinlik olaraq qalır. Nikel (Ni)-zəngin və Li-zəngin təbəqəli oksid materialları, klassik LiCoO2 həmkarları ilə müqayisədə üstün xüsusi tutumlarına görə gələcək katod materialları hesab olunur, lakin Li-TM qarışığı zamanı təbəqəli çərçivənin spinel və ya daş duzu strukturlarına deqradasiyası, elektrod səthində istənməyən yan reaksiyalarla birlikdə qaçılmazdır. Bu günə qədər görülən səyləri nəzərə alaraq, enerji sıxlığı və tsikl ömründə əhəmiyyətsiz itki ilə sürətli katod materiallarının şarjını dərhal əldə etmək üçün ən real həllərindən biri, minimum tərkibdə bərabər şəkildə örtülə bilən keçirici qoruyucu materiallar tapmaqdır. Aktiv materiallar. Müasir qrafit anodları yüksək sürətli şarj zamanı Li metalı çökməsi səbəbindən əlverişsiz olduğundan, qabaqcıl anod materiallarının tapılması da vacibdir. Budur biz qrafen-silika (SiO   ) yığımı, qrafen topu (GB) adlanır, yüksək tutumlu Ni-zəngin təbəqəli katod materialları və LIB anod materialı üçün örtücü material kimi. Hər bir GB, SiO   nanozaracık mərkəzi və ətrafındakı qrafen təbəqələrindən ibarətdir, bu da üçölçülü (3D) popcorn-vari bir quruluş təşkil edir. SiO   nanozaracıkları bir çox cəhətdən mühüm rol oynayır, məsələn, SiO   –qrafen interfeysində qrafen böyüməsi zamanı silikon karbid (SiC) təbəqəsinin əmələ gəlməsini qarşısını almaq, GB-nin katod materialına bərabər şəkildə örtülməsini təmin etmək və GB anod materialı kimi istifadə edildikdə yüksək xüsusi tutum təmin etmək. GB-nin Ni-zəngin təbəqəli katod üzərində bərabər örtülməsi elektrolitlə interfeys sabitliyini və elektrod üzərindəki elektron keçiriciliyini artırır, katodun tsikllənəbilmə qabiliyyətini və sürətli şarj qabiliyyətini əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşdırır. GB-nin unikal üstünlüklərindən istifadə edərək, GB-örtülü katod və GB anodundan ibarət tam hüceyrə, mövcud ticarət hüceyrəsi şəraitində təxminən 800 Vt/kq həcmi enerji sıxlığı imkanını, 5C və 60°C-də 500 tsikldən sonra 78.6% tutumun saxlanması ilə yüksək tsikllənəbilmə qabiliyyətinə malikdir. x x x x Nəticələr Qrafen topunun sintezi Popcorn-vari GB sintez etmək üçün biz qrafen böyüməsi üçün kimyəvi buxar çökdürmə (CVD) prosesi inkişaf etdirdik. CH4 qazı, 1000°C-də diametrləri 20-30 nm olan SiO2 nanozaracıklarının iştirakı ilə bir sobaya daxil edildi. Bu temperaturda CH4 SiO2-ni SiO   ( <2) qədər reduksiya edən hidrogen atomları istehsal etmək üçün parçalanır. OH− də aşağıdakı reaksiya vasitəsilə sintez edilir: x x Bu reaksiyada əsas xüsusiyyət ondan ibarətdir ki, istehsal olunan SiO   qrafen böyüməsi üçün katalitik yerlər təmin edir və OH− qrafik karbonun qrafenə doğru formalaşmasına kömək edən yumşaq oksidləşdirici kimi çıxış edir , . Yumşaq oksidləşdiricilərin qrafik karbon formalaşmasındakı rolu bu yaxınlarda qismən izah edilmişdir  bir şəkildə ki, yumşaq oksidləşdirici olmadan amorf karbonun formalaşması daha üstündür. Bununla belə, yumşaq oksidləşdiricinin iştirakı ilə, amorf karbona çevriləcək karbon atomları üçün CO və ya CO2 formalaşması istiqamətində reaksiyanın üstünlük təşkil etdiyi aşkar edilmişdir. Əslində, metal katalizatorlardan istifadə edərək qrafenin asan böyüməsinin oxşar şəkildə baş verdiyi bilinir , , , burada metal səthində qalan oksigen qrafik karbonun formalaşması istiqamətində üstün reaksiyanın baş verməsinə səbəb olur. Yumşaq oksidləşdiricinin iştirakı, oksidləşdiricinin Si-nin SiC formalaşması üçün reduksiyasını qarşısını alması səbəbindən SiO   səthində silikon karbid (SiC) təbəqəsinin əmələ gəlməsini qarşısını alır . x 14 15 16 17 18 19 x 19 Yalnız CH4-dən istifadəyə əsaslanan reaksiyamızda, 900°C-dən aşağı temperaturda, qrafen demək olar ki, böyümürdü. Əksinə, 1050°C və yuxarıda, qrafen böyüməsi qrafen formalaşması istiqamətində çox aqressiv olurdu (Əlavə Şəkil  ). Qeyd etmək lazımdır ki, 1000°C böyümə temperaturu, metal katalizatorlar olmadan Si və SiO2 substratları üçün istifadə olunan CVD əsaslı qrafen böyüməsi üçün adətən istifadə olunan temperaturdan (1100–1400°C) aşağıdır , , . Böyümə mühitinin kritik rolu bir nəzarət təcrübəsi ilə aydınlaşdırıldı (Əlavə Şəkil  ); metal katalizatorlardan istifadə edən adi CVD proseslərinə əsasən, CH4 və H2 1000°C-də 3:7 həcmi axın nisbətində daxil edildi. CH4-ün parçalanması H2-nin böyük miqdarı tərəfindən maneə törədildiyi üçün, qrafen böyüməsi həqiqətən də çox yavaş idi, bu da bizim sintez protokolumuzda səmərəli qrafen böyüməsi üçün CH4-ün xüsusi istifadəsinin vacibliyini göstərir. Ümumiyyətlə, mövcud reaksiyamızda reaktantların və reaksiya temperaturunun seçimi, metal katalizatorlardan istifadə edən əvvəlki CVD həmkarlarından fərqlidir və 3D iyerarşik quruluşa malik qrafen–SiO   yığımı istehsalında əsas rol oynayır. 1 20 21 22 2 x Bir sıra skan edən elektron mikroskopu (SEM) (Əlavə Şəkil  ) və keçirici elektron mikroskopu (TEM) analizləri (Şəkil  ) CVD prosesi zamanı qrafen böyüməsi və morfologiyasındakı dəyişiklikləri əks etdirir. CVD prosesindən 5 dəqiqə sonra, SiO2 səthi boyunca zəif bir 2–3 təbəqəli qrafen film müşahidə edildi (Şəkil  , e), tozun rəngi qara oldu (Əlavə Şəkil  ). Qrafen böyüməsi CVD prosesindən 30 dəqiqə sonra daha aydın görünürdü, burada 3D təbəqəli morfologiya aydın şəkildə görünürdü (Şəkil  , f). Yüksək böyütməli TEM görüntüsü (Şəkil  ) qrafenin bir hissəsindəki altıbucaqlı atom nizamını əks etdirir, bu da onun əsas müstəvisini təmsil edir. 30 dəqiqədən sonra SiO2 nanozaracıklarının diametrinin orta hesabla 28.2-dən 15.3 nm-ə qədər azaldığı müşahidə edildi (Əlavə Şəkil  ). Bu, qrafen böyüməsinin yuxarıda qeyd olunan SiO2 reduksiyası və sonrakı OH− formalaşmasını əhatə etdiyi üçün baş vermişdir. Buna görə də, ümumi qrafen böyüməsi, mövcud dənələrin (Şəkil  ) hesabına istehsal olunan 3D həcmli quruluşda genişlənən popcorna bənzəyir. 3a–f 1a–g 1b 3g 1c 1g 4 1h   SiO2 nanozaracıklarından 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 görüntüsü və onun atom səviyyəsində görünüşü (ağ qutu daxilində) (ölçü çubuğu, 2 nm).   SiO2 nanozaracıklarından popcorn-vari qrafen böyüməsinin qrafik təsviri a c a b c d f g h Qrafen böyüməsi bir sıra əlavə analizlərlə daha da aydınlaşdırıldı. Böyümə zamanı əldə edilən rentgen difraksiyası (XRD) spektrləri, 2  = 26.44° və 44°-dəki piklərin, qrafenin (002) və (101) müstəvilərinə uyğun gəldiyini göstərir, davamlı olaraq böyüyürdü (Şəkil  ), bu da qrafik karbonun formalaşmasını bir daha təsdiqləyir , , . Qrafen böyüməsi həmçinin rentgen fotoelektron spektroskopiyası (XPS) analizinin C 1s qolundakı 284.5 və 291.5 eV-dəki piklərdə əks olundu (Şəkil  ) , . 284.5 eV-dəki pik, qrafik karbon formalaşması səbəbindən 30 dəqiqəlik böyümədən sonra daha aydın görünən C–C və C=C rabitələrinə aiddir. XPS analizinin Si 1s qolundakı davamlı XPS pikləri (Şəkil  ) CVD prosesi zamanı SiO2 reduksiyasını yenidən təsdiqləyir . 103 eV yaxınlığındakı pik, Si-nin oksidləşmə dərəcəsinin azalması səbəbindən aşağı bağ enerjilərinə doğru sürüşdü. Enerji dispersiv X-ray (EDX) xəritələşdirməsində (Şəkil  ) karbon siqnalının mövcudluğu və intensivliyinə əsaslanaraq, 5 dəqiqədən sonra belə, qrafen böyüməsinin həqiqətən SiO   səthi boyunca baş verdiyi, 30 dəqiqədən sonra isə böyümənin bütün görüntü sahəsinə yayıldığı, Si və O isə bərabər paylandığı aşkar edilmişdir. Qrafenin çəki hissəsi, həmçinin müxtəlif CVD böyümə vaxtında GB-nin Raman analizi, xüsusi səth sahəsi və keçiricilik nəticələri Cədvəl  -də xülasə edilmişdir. Xüsusi səth sahəsinə gəldikdə, reaksiya vaxtının artması ilə onun azalması, qrafen təbəqələrinin birləşib yığılması zamanı davamlı qrafikləşməyə aid edilir. Əlavə Raman və termogravimetrik (TG) analiz spektrləri Əlavə Şəkil  -də təqdim edilmişdir. θ 2a 23 24 25 2b 22 23 2c 25 2d–g x 1 5   Onun böyüməsi zamanı qrafen topunun analizi.  –  CVD prosesi zamanı qrafen böyüməsinin monitorinqi   XRD,    XPS C 1s qolunda və   XPS Si 2p qolunda istifadə edərək.  –  5 dəqiqə və  ,   30 dəqiqəlik qrafen böyüməsindən sonra C, O və Si-yə nisbətən EDX elementar xəritələşdirmə (ölçü çubuqları, 50 nm) a c a b c d g f g Qrafen topunun nikel-zəngin katod materialına örtülməsi Atom qalınlığında təbəqəli morfologiyası səbəbindən, qrafen yüksək tutumlu təbəqəli katod materiallarının səth qoruyucu örtüyü üçün ən ideal materiallardan biri hesab edilmişdir. Lakin, Hummer metoduna əsaslanan adi məhlul prosesləri halında , , ,  qrafenin məhdud tərkibi ilə bərabər bir örtüyə nail olmaq, qrafen təbəqələri arasındakı güclü elektrostatik qarşılıq səbəbindən yaranan yığışma səbəbindən çətindir. Yığışma problemini həll etmək səylərində, top üyütmə prosesindən istifadə edərək qrafitin üyüdülməsi kimi fərqli bir yanaşma tətbiq edilmişdir . Lakin, bu proses adətən yavaşdır (>6 saat) və daha da əhəmiyyətlisi, ana materialın kristallığını zədələyə bilər. Həmçinin qeyd etmək lazımdır ki, CVD prosesləri ilə amorf karbon örtüyü, Ni-zəngin oksid materialları üçün tətbiq olunmur ,  çünki CVD prosesləri keçid metallarını (TM) 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 tozunun (ölçü = ~10 µm) səthinə 1 əd. ç./kq minimal tərkibdə, yüngül Nobilta üyütmə prosesi vasitəsilə örtülə bilər. Örtücü proses də olduqca sürətlidir (~10 dəqiqə 3000 rpm-də). SiO   toxumları bu bərabər örtülməni aşağı çəki tərkibində təmin etmədə kritik rol oynayır. SiO   toxumları GB-nin 57.5 əd. ç./kq təşkil edir (Əlavə Şəkil  -də TG nəticəsi) və örtücü prosesdə, onların mövcudluğu GB-nin LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 səthinə bir kəsmə qüvvəsi tətbiq etməsinə, sıx qarşılıqlı əlaqə və hətta nüfuz etməsinə imkan verir. Bu hadisəni təsdiqləmək üçün, eyni örtücü proses 0.5 əd. ç./kq SiO2 v 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: Litium Batareyaları Təkmilləşdirən Qrafen Trikkı

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