```html
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Autors: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 In Hyuk Son Jong Hwan Park Seongyong Park Kwangjin Park Sangil Han Jaeho Shin Seok-Gwang Doo Yunil Hwang Hyuk Chang Jang Wook Choi Resum Millorar una propietat sense sacrificar-ne d'altres és un repte per a les bateries d'ió de liti a causa de la naturalesa de compromís entre els paràmetres clau. Aquí presentem un procés de deposició química de vapor per fer créixer un muntatge de grafè-sílice, anomenat bola de grafè. La seva estructura jeràrquica tridimensional amb el centre de nanopartícules d'òxid de silici permet que només un 1% en pes de bola de grafè es recobreixi uniformement en un càtode de capa de níquel-ric mitjançant la fresa Nobilta escalable. El recobriment de bola de grafè millora la vida útil del cicle i la capacitat de càrrega ràpida mitjançant la supressió de reaccions secundàries perjudicials i la proporcionació de vies conductores eficients. La bola de grafè en si també serveix com a material d'ànode amb una alta capacitat específica de 716,2 mAh g−1. Una cel·la completa que incorpora boles de grafè augmenta la densitat d'energia volumètrica un 27,6% en comparació amb una cel·la de control sense boles de grafè, mostrant la possibilitat d'assolir 800 Wh L−1 en un entorn de cel·la comercial, juntament amb una alta ciclabilitat del 78,6% de retenció de capacitat després de 500 cicles a 5C i 60 °C. Introducció El desenvolupament continu de les bateries d'ió de liti (BIL) ha donat lloc a millores notables en diversos aspectes del seu funcionament, incloent-hi la densitat d'energia, la densitat de potència, la vida útil del cicle i la seguretat. Actualment, els dispositius d'informàtica mòbil representen una part significativa de les aplicacions de les BIL, on les especificacions de funcionament de les BIL d'última generació són majoritàriament satisfactòries , , . No obstant això, a mesura que els vehicles elèctrics (VE) han penetrat en els mercats de les BIL, les propietats electroquímiques clau han imposat estàndards més desafiants; mentre que es desitgen densitats d'energia més altes per augmentar el quilometratge de conducció, es demana una millora de la cinètica de reacció per a càrregues ràpides i operacions d'alta velocitat. La seguretat també és definitivament un factor crític per a les aplicacions de VE. Un repte formidable rau a superar la relació de compromís entre aquestes propietats clau; normalment no és trivial millorar una propietat sense sacrificar-ne d'altres. 1 2 3 Aquesta relació de compromís és particularment evident entre la densitat d'energia i la càrrega ràpida (o capacitat de potència). Si bé l'ús de nanomaterials com a components actius ,  i la incorporació de nanocarbonats , ,  com a agents conductors han demostrat millores en les velocitats de càrrega reduint la distància de difusió d'ions i la resistència interna, la majoria d'aquests enfocaments encara requereixen millores abans de poder implementar-se en la tecnologia actual de BIL. Les densitats de compactació dels nanomaterials són molt inferiors a les de les partícules microbianes convencionals, cosa que és perjudicial per a la densitat d'energia volumètrica, un factor crucial per a moltes aplicacions de BIL que la contrapart gravimètrica. En un context similar cap a la reducció de la resistència interna, la integració de nanocarbonats com el grafè ha demostrat ser efectiva per augmentar la conductivitat elèctrica dels elèctrodes a escala de laboratori. No obstant això, encara no s'ha demostrat una distribució uniforme d'un petit contingut en pes (és a dir, <3% en pes) de nanocarbonats en un procés de purins a gran escala. La modificació dels materials actius existents mitjançant dopatge amb elements estranys ,  o control estequiomètric , ,  també pot augmentar la difusivitat dels ions Li i, per tant, la velocitat de càrrega dels materials actius convencionals amb dimensions micromètriques. La majoria d'aquests enfocaments, però, són efectius a costa de la capacitat específica. 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 A més, a part de la densitat d'energia i la càrrega ràpida, aconseguir una llarga vida útil del cicle, especialment a temperatures altes (és a dir, 60 °C), encara continua sent un repte per a les BIL avançades que incorporen materials d'elèctrode d'alta capacitat. Mentre que els materials d'òxid de capa de níquel-ric i liti-ric es consideren com a materials de càtode pròxims a causa de les seves capacitats específiques superiors en comparació amb els seus homòlegs clàssics de LiCoO2, se sap que la barreja de cations inevitable durant la càrrega degrada el marc de capa a estructures d'espinal o de sal de roca, juntament amb reaccions secundàries no desitjades a la superfície de l'elèctrode. Considerant els esforços realitzats fins ara, una de les solucions més realistes per aconseguir immediatament una càrrega ràpida de materials de càtode amb una pèrdua negligible de densitat d'energia i vida útil del cicle implica trobar materials protectors conductors que es puguin recobrir uniformement sobre els materials actius amb un contingut mínim. Trobar materials d'ànode avançats també és essencial perquè els ànodes de grafit actuals pateixen la deposició de metall Li durant la càrrega d'alta velocitat. Aquí presentem un muntatge de grafè-sílice (SiO  ), anomenat bola de grafè (GB), com a material de recobriment per a materials de càtode de capa de níquel-ric d'alta capacitat, així com un material d'ànode de BIL. Cada GB consta d'un centre de nanopartícules de SiO   i capes de grafè circumdants, que formen una estructura tridimensional (3D) similar a les crispetes. Les nanopartícules de SiO   tenen un paper crucial en múltiples aspectes, com ara evitar la formació d'una capa de carbur de silici (SiC) a la interfície SiO   – grafè durant el creixement del grafè, assegurar un recobriment uniforme de GB sobre el material de càtode i proporcionar una alta capacitat específica quan GB s'utilitza com a material d'ànode. El recobriment uniforme de GB sobre el càtode de capa de níquel-ric millora l'estabilitat interfacial amb l'electròlit i la conductivitat electrònica de l'elèctrode, millorant substancialment la ciclabilitat i la capacitat de càrrega ràpida del càtode. Aprofitant els avantatges únics de GB, la cel·la completa que consta del càtode recobert de GB i l'ànode de GB demostra la possibilitat d'una alta densitat d'energia volumètrica propera a 800 Wh L−1 en condicions de cel·la comercial, juntament amb una retenció de capacitat del 78,6% després de 500 cicles a 5C i 60 °C. x x x x Resultats Síntesi de la bola de grafè Per sintetitzar la GB similar a les crispetes, hem desenvolupat un procés de deposició química de vapor (CVD) per al creixement del grafè. Es va alimentar gas CH4 al forn en presència de nanopartícules de SiO2 amb diàmetres de 20–30 nm a 1000 °C. A aquesta temperatura, el CH4 es descompon per generar àtoms d'hidrogen, que posteriorment poden reduir el SiO2 a SiO   (  < 2). També es produeix OH− simultàniament mitjançant la següent reacció: x x La característica clau d'aquesta reacció és que el SiO   produït proporciona llocs catalítics per al creixement del grafè, i l'OH− actua com a oxidant suau per facilitar la formació de carboni grafític cap al grafè , . El paper dels oxidants suaus en la formació de carboni grafític s'ha racionalitzat recentment  de manera que, sense un oxidant suau, la formació de carboni amorphous és més dominant. No obstant això, en presència d'un oxidant suau, es va descobrir que la reacció cap a la formació de CO o CO2 és preferida per als àtoms de carboni que altrament s'haurien convertit en carboni amorphous. De fet, el creixement fàcil del grafè utilitzant catalitzadors metàl·lics és conegut per ocórrer de manera similar , , , on l'oxigen romanent a la superfície metàl·lica condueix a la reacció preferencial cap a la formació de carboni grafític. La presència d'un oxidant suau evita la formació d'una capa de carbur de silici (SiC) a la superfície del SiO   perquè l'oxidant impedeix la reducció del Si cap a la formació de SiC . x 14 15 16 17 18 19 x 19 En el nostre esquema de reacció basat en l'ús exclusiu de CH4, a temperatures inferiors a 900 °C, el grafè amb prou feines va créixer. En contrast, a 1050 °C i superiors, el creixement del grafè es va tornar massa agressiu cap a la formació de grafit (figura suplementària  ). Notablement, la temperatura de creixement de 1000 °C és inferior a les (1100–1400 °C) que s'utilitzen habitualment per al creixement de grafè basat en CVD sobre substrats de Si i SiO2 sense catalitzadors metàl·lics , , . El paper crític de l'entorn de creixement es va aclarir mitjançant un experiment de control (figura suplementària  ); seguint els processos CVD convencionals utilitzant catalitzadors metàl·lics, es van alimentar CH4 i H2 en una relació de flux volumètric de 3:7 a 1000 °C. Com que la descomposició del CH4 va ser obstaculitzada per la gran quantitat d'H2, el creixement del grafè va ser efectivament molt lent, revelant la importància de l'ús exclusiu de CH4 en el creixement eficient del grafè en el nostre protocol de síntesi. En general, l'elecció dels reactius i la temperatura de reacció en el present esquema de reacció és diferent dels homòlegs basats en CVD anteriors que utilitzen catalitzadors metàl·lics i juga un paper clau en la producció d'un muntatge de grafè–SiO   amb l'estructura jeràrquica 3D. 1 20 21 22 2 x Una sèrie d'anàlisis de microscòpia electrònica d'escombratge (SEM) (figura suplementària  ) i microscòpia electrònica de transmissió (TEM) (figura  ) realitzades durant el procés CVD reflecteixen els canvis en el creixement i la morfologia del grafè. Després de 5 minuts del procés CVD, es va observar vagament una pel·lícula de grafè de 2-3 capes al llarg de la superfície del SiO2 (figura  , e), amb el color de la pols tornant-se negre (figura suplementària  ). El creixement del grafè es va fer més prominent després de 30 minuts del procés CVD, on la morfologia de làmina 3D era clarament visible (figura  , f). La imatge TEM d'alta magnificació (figura  ) captura les disposicions atòmiques hexagonals en una secció de grafè, que reflecteixen el seu pla basal. Després de 30 minuts, també es va observar que les mides de les nanopartícules de SiO2 disminuïen de 28,2 a 15,3 nm de mitjana (figura suplementària  ). Això va ocórrer perquè el creixement del grafè implica la reducció esmentada de SiO2 i la formació posterior d'OH−. Per tant, el creixement general del grafè és força anàleg a les crispetes expandint-se en una estructura voluminosa 3D, produïda a expenses dels grans originals (figura  ). 3a–f 1a–g 1b 3g 1c 1g 4 1h   Creixement de grafè a partir de nanopartícules de SiO2.  –  Caracterització TEM   abans del creixement CVD,   després de 5 minuts de creixement i   després de 30 minuts de creixement (barres d'escala, 50 nm).  –  Les seves respectives imatges magnificades (barres d'escala, 10 nm).   Imatge de major magnificació de grafè després de 30 minuts de creixement i la seva vista a nivell atòmic des del quadre blanc (insert) (barra d'escala, 2 nm).   Il·lustració gràfica del creixement de grafè tipus crispetes a partir de nanopartícules de SiO2 a c a b c d f g h El creixement del grafè es va elucidar més a través d'una sèrie d'anàlisis addicionals. Els espectres de difracció de raigs X (XRD) obtinguts durant el creixement indiquen que a mesura que el procés CVD avança, els pics a 2  = 26,44° i 44°, corresponents als plans (002) i (101) del grafit, van créixer contínuament (figura  ), donant suport de nou a la formació de carboni grafític , , . El creixement del grafè també es va reflectir en els pics a 284,5 i 291,5 eV a la branca C 1s de l'anàlisi de fotoespectroscòpia de fotoemissió de raigs X (XPS) (figura  ) , . El pic a 284,5 eV s'assigna als enllaços C–C i C = C, que van aparèixer de manera prominent després de 30 minuts de creixement a causa de la formació de carboni grafític. Els pics progressius d'XPS a la branca Si 1s de l'anàlisi d'XPS (figura  ) reconfirmen  la reducció del SiO2 durant el procés CVD. Amb l'augment del temps de creixement, el pic proper a 103 eV es va desplaçar cap a energies de   menor   la   del   d'enllaç   degut   a   la   disminució   de   l'estat   d'oxidació   del   Si.   Basant-se   en   la   presència   i   la   intensitat   del   senyal   de   carboni   en   el   mapatge   d'emissió   de   raigs   X   (EDX)   (figura  ), es va trobar que fins i tot després de 5 minuts, el creixement del grafè es va produir al llarg de la superfície del SiO  , i després de 30 minuts, el creixement es va estendre per tota l'àrea de la imatge, mentre que el Si i l'O van romandre distribuïts homogèniament. La porció en pes de grafè, i els resultats de l'anàlisi Raman, l'àrea superficial específica i la conductivitat de GB en diferents temps de creixement CVD es resumeixen a la taula  . Pel que fa a l'àrea superficial específica, la seva disminució amb l'augment del temps de reacció s'atribueix a la grafització progressiva durant la qual les capes de grafè es fusionen i s'apilen. Els espectres detallats de Raman i d'anàlisi termogravimètrica (TG) es presenten a la figura suplementària  . θ 2a 23 24 25 2b 22 23 2c 25 2d–g x 1 5   Anàlisi de la bola de grafè durant el seu creixement.  –  Monitorització del creixement del grafè durant el procés CVD mitjançant   XRD,   XPS a la branca C 1s i   XPS a la branca Si 2p.  –  Mapeig elemental EDX respecte a C, O i Si després de  ,   5 minuts i  ,   30 minuts de creixement de grafè a partir de SiO2 (barres d'escala, 50 nm) a c a b c d g d e f g Recobriment de la bola de grafè sobre el càtode de níquel-ric A causa de la seva morfologia de làmina d'un àtom de gruix, el grafè s'ha considerat un dels materials més ideals per al recobriment protector superficial de materials de càtode d'alta capacitat de capa. No obstant això, en el cas dels processos de solució ben coneguts , , ,  basats en el mètode de Hummer, aconseguir un recobriment uniforme amb un contingut limitat de grafè no és trivial a causa de l'agglomeració, que sorgeix de la forta interacció electrostàtica entre les làmines de grafè. En un esforç per superar el problema de l'agglomeració, s'ha introduït un enfocament diferent, com ara el trituració del grafit emprant un procés de fresa de boles . No obstant això, aquest procés sol ser lent (>6 h) i, més críticament, pot danyar la cristal·linitat del material base. També s'ha de tenir en compte que el recobriment de carboni amorphous mitjançant processos CVD no és aplicable als materials d'òxid de níquel-ric ,  perquè els processos CVD extreuen metalls de transició (TM), pertorbant l'estructura cristal·lina original del material base. 26 27 28 29 30 31 32 En canvi, la GB sintetitzada en aquest estudi es pot recobrir sobre la superfície de pols comercial de LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 (mida = ~10 µm) amb un contingut mínim de l'1% en pes mitjançant un procés suau de fresa Nobilta. El procés de recobriment també és força ràpid (~10 min a 3000 rpm). Les llavors de SiO   juguen un paper crític en permetre aquest recobriment uniforme amb baixos continguts en pes. Les llavors de SiO   representen el 57,5% en pes de GB (resultat de TG a la figura suplementària  ) i, en el procés de recobriment, la seva presència permet que GB exerceixi una força de cisalla sobre la superfície de LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2, produint una interacció íntima i fins i tot penetració. Per confirmar aquest fenomen, es va realitzar el mateix procés de recobriment amb una barreja física de 0,5% en pes de SiO2 i 0,5% en pes de grafè. Aquesta mostra va patir danys cristal·lins a la regió superficial del NCM a causa de col·lisions agressives entre les partícules de LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2, així com entre les partícules de LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 i la paret del reactor (figura suplementària  ). Aquests fenòmens es van amplificar per l'agglomeració de grafè que es va produir en absència de les estructures jeràrquiques 3D que contenen centres de partícules de SiO  . x x 5b 6 x El recobriment uniforme de GB es va confirmar mitjançant anàlisis SEM i TEM. D'ara endavant, LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 abans i després del recobriment de GB es denota com a NCM verge i GB-NCM, respectivament. Les imatges SEM de baixa magnificació del NCM abans i després del recobriment de GB (figura  , figura suplementària  ) van mostrar morfologies molt similars a causa de la distribució uniforme del contingut baix de GB. No obstant això, una imatge SEM de major magnificació de GB-NCM indica que GB va penetrar als espais entre les partícules primàries de NCM (figura  ). La penetració de GB es va observar més clarament en imatges TEM (figura  , f). A la figura  , es va observar una làmina de grafè a l'espai obert per sobre d'una partícula de NCM (veure línies discontínues vermelles). Algunes làmines de grafè estaven alineades al llarg de la superfície del NCM i presentaven una distància intercapa consistent de 3,3 o  3a, b 6a, b 3d 3e 3e

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

Aquest àudio és produït a l'idioma original de la història!

Càrrega més ràpida, vida més llarga: el truc del grafè que actualitza les bateries de liti

About Author

COMENTARIS

Etiquetes penjant

AQUEST ARTICLE VA SER PRESENTAT A

Related Stories

The Jewel Robbery at the Grand Metropolitan

Startups of The Year: Meet the Engineering Industry

On Taxes

Why Over-Explaining Your Tech Is Killing Your Content Strategy

The Jewel Robbery at the Grand Metropolitan

Startups of The Year: Meet the Engineering Industry

On Taxes

Why Over-Explaining Your Tech Is Killing Your Content Strategy

Light-Mode

Classic

Newspaper

Minty

Dark-Mode

Neon Noir

Minty

HN StartUps