```html
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Forfattere: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 In Hyuk Son Jong Hwan Park Seongyong Park Kwangjin Park Sangil Han Jaeho Shin Seok-Gwang Doo Yunil Hwang Hyuk Chang Jang Wook Choi Resumé Det er udfordrende at forbedre én egenskab uden at ofre andre for lithium-ion-batterier på grund af den afvejningsmæssige natur blandt nøgleparametre. Her rapporterer vi en kemisk dampaflejringsproces til at dyrke en grafen–silica-samling, kaldet en grafenbold. Dens hierarkiske tredimensionelle struktur med nanopartiklen af siliciumoxid i centrum tillader, at selv 1 vægt% grafenbold jævnt belægges på en nikkelrig lagdelt katode via skalerbar Nobilta-maling. Grafenboldbelægningen forbedrer cykluslevetiden og hurtig opladningsevne ved at undertrykke skadelige bivirkninger og tilvejebringe effektive ledende veje. Selve grafenbolden fungerer også som en anode-materiale med en høj specifik kapacitet på 716,2 mAh g−1. En fuld celle, der inkorporerer grafenbolde, øger den volumetriske energitæthed med 27,6% sammenlignet med en kontrolcelle uden grafenbolde, hvilket viser muligheden for at opnå 800 Wh L−1 i en kommerciel celleopsætning, sammen med en høj cyklabilitet på 78,6% kapacitetsfastholdelse efter 500 cyklusser ved 5C og 60 °C. Introduktion Den igangværende udvikling af lithium-ion-batterier (LIB'er) har resulteret i bemærkelsesværdige forbedringer på forskellige områder af deres drift, herunder energitæthed, effekttæthed, cykluslevetid og sikkerhed. På nuværende tidspunkt udgør mobile IT-enheder en betydelig del af LIB-anvendelserne, hvor drifts specifikationerne for nuværende state-of-the-art LIB'er er tilfredsstillende , , . Men efterhånden som elektriske køretøjer (EV'er) har penetreret LIB-markederne, har nøgle elektrokemiske egenskaber pålagt mere udfordrende standarder; mens højere energitætheder ønskes for øget køreafstand, kræves forbedrede reaktionskinetikker for hurtig opladning og høj-rate drift. Sikkerhed er også absolut en kritisk faktor for EV-anvendelser. En formidabel udfordring ligger i at overvinde afvejningsrelationen blandt disse nøgleegenskaber; det er normalt ikke trivielt at forbedre én egenskab uden at ofre andre. 1 2 3 En sådan afvejningsrelation er især tydelig mellem energitæthed og hurtig opladning (eller effektkapacitet). Mens brugen af nanomaterialer som aktive komponenter ,  og inkorporering af carbon nanomaterialer , ,  som ledende midler har vist forbedrede opladningshastigheder ved at reducere ion diffusionsafstanden og intern modstand, kræver de fleste af disse tilgange stadig yderligere forbedring, før de kan implementeres i den nuværende LIB-teknologi. Tappedensiteterne af nanomaterialer er langt lavere end dem af konventionelle mikropartikler, hvilket er skadeligt for den volumetriske energitæthed, en afgørende faktor for mange LIB-anvendelser end den gravimetriske modpart. I en lignende kontekst mod reduktion i intern modstand har integrationen af carbon nanomaterialer som grafen vist sig effektiv til at øge den elektriske ledningsevne af elektroder i laboratorie skala. Det er dog endnu ikke påvist at opnå en ensartet fordeling af et lille vægtindhold (dvs. <3 vægt%) af carbon nanomaterialer i en stor-skala slamp proces. Modifikationen af eksisterende aktive materialer ved doping med fremmede grundstoffer ,  eller støkiometrisk kontrol , ,  kan også øge diffusiviteten af Li-ioner og dermed opladningshastigheden af konventionelle aktive materialer med mikrometerdimensioner. De fleste af disse tilgange er dog effektive på bekostning af specifik kapacitet. 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Desuden, ud over energitæthed og hurtig opladning, er det at opnå lang cykluslevetid, især ved høje temperaturer (dvs. 60 °C), stadig en udfordring for avancerede LIB'er, der inkorporerer elektrodematerialer med høj kapacitet. Mens nikkel (Ni)-rige og Li-rige lagdelte oxid materialer betragtes som kommende katodematerialer på grund af deres overlegne specifikke kapaciteter sammenlignet med klassiske LiCoO2 modstykker, er det velkendt, at den uundgåelige kationblanding under opladning nedbryder den lagdelte ramme til spineller eller salt-lignende strukturer, sammen med uønskede bivirkninger ved elektroden. overfladen. I betragtning af de hidtil udførte bestræbelser, involverer en af de mest realistiske løsninger for umiddelbart at opnå hurtig opladning af katodematerialer med et ubetydeligt tab i energitæthed og cykluslevetid at finde ledende beskyttelsesmaterialer, der kan belægges ensartet på de aktive materialer med et minimalt indhold. At finde avancerede anodematerialer er også essentielt, da nuværende grafit anoder lider under Li-metal aflejring ved høj-rate opladning. Her rapporterer vi en grafen–silica (SiO   ) samling, kaldet en grafenbold (GB), som et belægningsmateriale til høj-kapacitets Ni-rige lagdelte katodematerialer samt et LIB anodemateriale. Hver GB består af en SiO   nanopartikelkerne og omgivende grafenlag, der udgør en tredimensionel (3D) popcorn-lignende struktur. SiO   nanopartiklerne spiller en afgørende rolle på flere områder, såsom at undgå dannelsen af et siliciumcarbid (SiC) lag ved SiO   –grafen grænsefladen under grafenvækst, at sikre ensartet belægning af GB på katodematerialet og at give en høj specifik kapacitet, når GB bruges som et anodemateriale. Den ensartede belægning af GB på den Ni-rige lagdelte katode forbedrer grænseflade stabiliteten med elektrolytten og den elektroniske ledningsevne over elektroden, hvilket væsentligt forbedrer katodens cyklabilitet og hurtig opladningsevne. Med de unikke fordele ved GB viser fuld-cellen bestående af GB-belagt katode og GB anode potentialet for høj volumetrisk energitæthed nær 800 Wh L−1 under kommercielle celleforhold, sammen med 78,6% kapacitetsfastholdelse efter 500 cyklusser ved 5C og 60 °C. x x x x Resultater Syntese af grafenbold For at syntetisere den popcorn-lignende GB udviklede vi en kemisk dampaflejringsproces (CVD) til grafenvækst. CH4 gas blev ført ind i en ovn i nærvær af SiO2 nanopartikler med diametre på 20–30 nm ved 1000 °C. Ved denne temperatur dekomponeres CH4 til at generere hydrogenatomer, som efterfølgende kan reducere SiO2 til SiO   (  < 2). OH− produceres også samtidigt via følgende reaktion: x x Den centrale egenskab i denne reaktion er, at det producerede SiO   giver katalytiske steder for grafenvækst, og OH− fungerer som et mildt oxidationsmiddel for at lette dannelsen af grafitisk kulstof mod grafen , . Rollen af milde oxidationsmidler på dannelsen af grafitisk kulstof er for nylig blevet rationaliseret  på en måde, at uden et mildt oxidationsmiddel er dannelsen af amorft kulstof mere dominerende. Men i nærvær af et mildt oxidationsmiddel er det blevet opdaget, at reaktionen mod CO eller CO2 dannelse foretrækkes for kulstofatomer, der ellers ville være udviklet til amorft kulstof. Faktisk er den lette vækst af grafen ved hjælp af metalkatalysatorer kendt for at forekomme på en lignende måde , , , hvor den resterende ilt på metaltil overfladen fører til den foretrukne reaktion mod dannelsen af grafitisk kulstof. Tilstedeværelsen af et mildt oxidationsmiddel forhindrer dannelsen af et siliciumcarbid (SiC) lag på overfladen af SiO   , fordi oxidationsmidlet forhindrer reduktionen af Si mod SiC dannelse . x 14 15 16 17 18 19 x 19 I vores reaktionsskema baseret på den eksklusive brug af CH4 , ved temperaturer under 900 °C, voksede grafen knap nok. I modsætning hertil, ved 1050 °C og derover, blev grafenvækst for aggressiv mod grafitdannelse (supplerende figur  ). Bemærkelsesværdigt er væksttemperaturen på 1000 °C lavere end de (1100–1400 °C), der normalt anvendes til CVD-baseret grafenvækst baseret på Si- og SiO2 substrater uden metalkatalysatorer , , . Den kritiske rolle af vækstmiljøet blev afklaret ved et kontrolforsøg (supplerende figur  ); i overensstemmelse med konventionelle CVD-processer, der anvender metalkatalysatorer, blev CH4 og H2 tilført i et 3:7 volumenstrømsforhold ved 1000 °C. Fordi dekomponeringen af CH4 blev hæmmet af den store mængde H2 , var grafenvæksten faktisk meget langsom, hvilket afslører vigtigheden af den eksklusive brug af CH4 til effektiv grafenvækst i vores synteseprotokol. Samlet set er valget af reaktanter og reaktionstemperatur i det nuværende reaktionsskema distinkt fra tidligere CVD-baserede modparter, der anvender metalkatalysatorer, og spiller en nøglerolle i at producere en grafen–SiO   samling med den 3D hierarkiske struktur. 1 20 21 22 2 x En række scanningselektronmikroskop (SEM) (supplerende figur  ) og transmissionselektronmikroskop (TEM) analyser (figur  ), udført under CVD-processen, afspejler ændringerne i grafenvækst og morfologi. Efter 5 minutters CVD-proces blev en 2–3 lag tyk grafenfilm vagt observeret langs overfladen af SiO2 (figur  , e), hvor pulverets farve blev sort (supplerende figur  ). Grafenvæksten blev mere fremtrædende efter 30 minutters CVD-proces, hvor 3D arkstruktur tydeligt var synlig (figur  , f). Det højforstørrede TEM-billede (figur  ) fanger de hexagonale atomare arrangementer i et afsnit af grafen, hvilket afspejler dets basale plan. Efter 30 minutter blev det også observeret, at størrelserne af SiO2 nanopartiklerne faldt fra 28,2 til 15,3 nm i gennemsnit (supplerende figur  ). Dette skete, fordi grafenvækst involverer den førnævnte reduktion af SiO2 og efterfølgende OH− dannelse. Derfor er den samlede grafenvækst ret analog med popcorn, der udvider sig i den 3D-bulk struktur, produceret på bekostning af de oprindelige kerner (figur  ). 3a–f 1a–g 1b 3g 1c 1g 4 1h   Grafenvækst fra SiO2 nanopartikler.   –  TEM-karakterisering    før CVD-vækst,    efter 5 minutters vækst, og    efter 30 minutters vækst (skala barer, 50 nm).   –  Deres respektive forstørrede billeder (skala barer, 10 nm).    Højere forstørret billede af grafen efter 30 minutters vækst og dens atom-niveau visning fra den hvide boks (indsats) (skala bar, 2 nm).    Grafisk illustration af popcorn-lignende grafenvækst fra SiO2 nanopartikler a c a b c d f g h Grafenvæksten blev yderligere belyst af en række yderligere analyser. Røntgendiffraktions (XRD) spektre opnået under væksten indikerer, at efterhånden som CVD-processen skrider frem, voksede peakene ved 2  = 26,44° og 44°, svarende til (002) og (101) planerne af grafit, kontinuerligt (figur  ), hvilket igen understøtter dannelsen af grafitisk kulstof , , . Grafenvæksten blev også afspejlet i peakene ved 284,5 og 291,5 eV i C 1s grenen af røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) analyse (figur  ) , . Peaket ved 284,5 eV tilskrives C–C og C = C bindinger, som fremtrådte prominent efter 30 minutters vækst på grund af dannelsen af grafitisk kulstof. De progressive XPS-peak i Si 1s grenen af XPS-analyse (figur  ) bekræfter igen  reduktionen af SiO2 under CVD-processen. Med stigende væksttid skiftede peaket nær 103 eV til lavere bindingsenergier på grund af den nedsatte oxidationstilstand af Si. Baseret på tilstedeværelsen og intensiteten af kulstofsignalet i energi-dispersiv røntgen (EDX) kortlægning (figur  ), blev det fundet, at selv efter 5 minutter fandt grafenvækst sted langs overfladen af SiO   , og efter 30 minutter spredte væksten sig over hele billedområdet, mens Si og O forblev homogent fordelt. Vægtandelen af grafen, og resultaterne af Raman analyse, specifik overfladeareal og ledningsevne af GB ved forskellige CVD-væksttider er opsummeret i tabel  . Hvad angår det specifikke overfladeareal, tilskrives dets fald med stigende reaktionstid den progressive grafitisering, hvorved grafenlag smeltes sammen og stables. Detaljerede Raman og termogravimetriske (TG) analyse spektre er præsenteret i supplerende figur  . θ 2a 23 24 25 2b 22 23 2c 25 2d–g x 1 5   Analyse af grafenbold under dens vækst.   –  Overvågning af grafenvækst under CVD-processen ved hjælp af    XRD,    XPS i C 1s grenen, og    XPS Si 2p grenen.   –  EDX elementær kortlægning med hensyn til C, O og Si efter   ,   5 minutter og   ,   30 minutters grafenvækst fra SiO2 (skala barer, 50 nm) a c a b c d g d e f g Belægning af grafenbold på Ni-rig katodemateriale På grund af sin atom-tynde lagdelte morfologi er grafen blevet betragtet som et af de mest ideelle materialer til overfladebeskyttende belægning af lagdelte katodematerialer med høj kapacitet. Men i tilfælde af velkendte opløsningsprocesser , , ,  baseret på Hummer's metode, er det ikke trivielt at opnå en ensartet belægning med et begrænset indhold af grafen på grund af aggregering, der opstår fra den stærke elektrostatiske interaktion mellem grafenark. I et forsøg på at overvinde aggregeringsproblemet er en anden tilgang, såsom knusning af grafit ved hjælp af en kuglemaling proces, blevet introduceret . Denne proces er dog normalt langsom (>6 timer) og, endnu vigtigere, kan skade krystalliniteten af værtsmaterialet. Det skal også bemærkes, at amorft kulstof-belægning ved CVD-processer ikke er anvendelig på Ni-rige oxidmaterialer ,  fordi CVD-processerne ekstraherer overgangsmetaller (TM'er), hvilket forstyrrer den oprindelige krystalstruktur af værtsmaterialet. 26 27 28 29 30 31 32 I modsætning hertil kan den syntetiserede GB i denne undersøgelse belægges på overfladen af kommercielt LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 pulver (størrelse = ~10 µm) med et minimalt indhold på 1 vægt% via en mild Nobilta-maling proces. Belægningsprocessen er også ret hurtig (~10 minutter ved 3000 omdr./min.). SiO   frø spiller en afgørende rolle for at muliggøre denne ensartede belægning ved lave vægtindhold. SiO   frøene udgør 57,5 vægt% af GB (TG-resultat i supplerende figur  ) og i belægningsprocessen tillader deres tilstedeværelse, at GB udøver en forskydningskraft på overfladen af LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2, hvilket producerer intim interaktion og endda penetration. For at bekræfte dette fænomen blev den samme belægningsproces udført med en fysisk blanding af 0,5 vægt% SiO2 og 0,5 vægt% grafen. Denne prøve led af krystallinsk skade på overflade regionen af NCM på grund af aggressive kollisioner mellem LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 partikler samt mellem LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 partikler og reaktor væggen (supplerende figur  ). Disse fænomener blev forstærket af grafen aggregering, der opstod i fravær af de 3D hierarkiske strukturer, der indeholder SiO   partikel kerner. x x 5b 6 x Den ensartede belægning af GB blev bekræftet ved SEM- og TEM-analyser. Herefter betegnes LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 før og efter GB-belægning som henholdsvis oprindelig NCM og GB-NCM. SEM-billeder med lav forstørrelse af NCM før og efter GB-belægning (figur  , supplerende figur  ) viste meget ensartede morfologier på grund af den ensartede fordeling af det lave indhold af GB. Et SEM-billede med højere forstørrelse af GB-NCM indikerer dog, at GB trængte ind i mellemrummene mellem primære partikler af NCM (figur  ). Penetrationen af GB blev tydeligere observeret i TEM-billeder (figur  , f). I figur   blev et grafenark observeret i det åbne rum over en NCM-partikel (se røde stiplede linjer). Nogle grafenark var justeret langs overfladen af NCM og viste en konsekvent lagafstand på 3,3 eller 3,4 Å (figur  ). 3a, b 6a, b 3d 3e 3e 3f   Belægning af GB på LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2. SEM-billeder af LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2  ,   før (skala barer, 2 µm og 200 nm, henholdsvis) og  ,   efter GB-belægning (sk a c b d

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

Denne lyd er produceret på historiens originalsprog!

Hurtigere Opladning, Længere Levetid: Graphene-Tricket Opgraderer Litiumbatterier

About Author

KOMMENTARER

HÆNG TAGS

DENNE ARTIKEL BLEV PRÆsenterET I

Related Stories

Avoid These Mistakes to Monetize Internet Products Profitably

Meet Surfshark: HackerNoon Company of the Week

Meet inDrive: The HackerNoon Company of the Week

Meet Timescale: HackerNoon Company of the Week

Avoid These Mistakes to Monetize Internet Products Profitably

Meet Surfshark: HackerNoon Company of the Week

Meet inDrive: The HackerNoon Company of the Week

Meet Timescale: HackerNoon Company of the Week

Light-Mode

Classic

Newspaper

Minty

Dark-Mode

Neon Noir

Minty

HN StartUps