Schnelleres Laden, längeres Leben: Der Graphen-Trick zur Verbesserung von Lithiumbatterien

Autoren: In Hyuk Son Jong Hwan Park Seongyong Park Kwangjin Park Sangil Han Jaeho Shin Seok-Gwang Doo Yunil Hwang Hyuk Chang Jang Wook Choi Abstract Die Verbesserung einer Eigenschaft, ohne andere zu beeinträchtigen, ist bei Lithium-Ionen-Batterien aufgrund des Zielkonflikts zwischen Schlüsselparametern eine Herausforderung. Hier berichten wir über ein chemisches Gasphasenabscheidungsverfahren (CVD) zur Züchtung einer Graphen-Siliziumdioxid-Anordnung, die als Graphenball bezeichnet wird. Seine hierarchische dreidimensionale Struktur mit dem Siliziumoxid-Nanopartikelzentrum ermöglicht es, selbst 1 Gew.-% Graphenball durch skalierbares Nobilta-Fräsen gleichmäßig auf einer Nickel-reichen geschichteten Kathode aufzutragen. Die Graphenball-Beschichtung verbessert die Zyklenlebensdauer und die Schnellladefähigkeit, indem sie schädliche Nebenreaktionen unterdrückt und effiziente leitfähige Pfade bereitstellt. Der Graphenball selbst dient auch als Anodenmaterial mit einer hohen spezifischen Kapazität von 716,2 mAh g⁻¹. Eine Vollzelle, die Graphenbälle integriert, erhöht die volumetrische Energiedichte im Vergleich zu einer Kontrollzelle ohne Graphenbälle um 27,6 % und zeigt die Möglichkeit, 800 Wh L⁻¹ in einer kommerziellen Zellumgebung zu erreichen, zusammen mit einer hohen Zyklierbarkeit von 78,6 % Kapazitätserhalt nach 500 Zyklen bei 5C und 60 °C. Einleitung Die fortlaufende Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) hat zu bemerkenswerten Verbesserungen in verschiedenen Aspekten ihres Betriebs geführt, darunter Energiedichte, Leistungsdichte, Zyklenlebensdauer und Sicherheit. Derzeit machen mobile IT-Geräte einen erheblichen Teil der LIB-Anwendungen aus, bei denen die Betriebsspezifikationen der aktuellen State-of-the-Art-LIBs größtenteils zufriedenstellend sind , , . Da Elektrofahrzeuge (EVs) jedoch in die LIB-Märkte eingedrungen sind, haben die elektrochemischen Schlüsseleigenschaften anspruchsvollere Standards gesetzt; während höhere Energiedichten für eine erhöhte Reichweite gewünscht werden, werden verbesserte Reaktionskinetiken für schnelles Laden und Hochgeschwindigkeitsbetrieb gefordert. Sicherheit ist auch ein entscheidender Faktor für EV-Anwendungen. Eine gewaltige Herausforderung besteht darin, die Zielkonfliktbeziehung zwischen diesen Schlüsseleigenschaften zu überwinden; es ist normalerweise nicht trivial, eine Eigenschaft zu verbessern, ohne andere zu beeinträchtigen. 1 2 3 Ein solcher Zielkonflikt ist insbesondere zwischen Energiedichte und Schnellladung (oder Leistungsfähigkeit) offensichtlich. Während der Einsatz von Nanomaterialien als aktive Komponenten , und die Einbeziehung von Kohlenstoff-Nanomaterialien als leitfähige Mittel , , verbesserte Ladegeschwindigkeiten durch Verringerung der Ionendiffusionsdistanz und des Innenwiderstands gezeigt haben, erfordern die meisten dieser Ansätze noch weitere Verbesserungen, bevor sie in die aktuelle LIB-Technologie implementiert werden können. Die Schüttdichten von Nanomaterialien sind weitaus geringer als die von herkömmlichen Mikroteilchen, was für die volumetrische Energiedichte, ein für viele LIB-Anwendungen wichtigerer Faktor als das gravimetrische Gegenstück, nachteilig ist. In ähnlichem Kontext zur Reduzierung des Innenwiderstands hat sich die Integration von Kohlenstoff-Nanomaterialien wie Graphen als wirksam erwiesen, um die elektrische Leitfähigkeit von Labor-Elektroden zu erhöhen. Die gleichmäßige Verteilung eines geringen Gewichtanteils (d. h. < 3 Gew.-%) von Kohlenstoff-Nanomaterialien in einem großtechnischen Slurry-Prozess ist jedoch noch nicht demonstriert worden. Die Modifizierung bestehender aktiver Materialien durch Dotierung mit Fremdelementen , oder stöchiometrische Kontrolle , , kann auch die Diffusivität von Li-Ionen und damit die Ladegeschwindigkeit konventioneller aktiver Materialien mit mikrometerdimensionalen Abmessungen erhöhen. Die meisten dieser Ansätze sind jedoch auf Kosten der spezifischen Kapazität wirksam. 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Darüber hinaus bleibt neben der Energiedichte und der Schnellladung die Erzielung einer langen Zyklenlebensdauer, insbesondere bei hohen Temperaturen (d. h. 60 °C), eine Herausforderung für fortgeschrittene LIBs, die Kathodenmaterialien mit hoher Kapazität integrieren. Während nickelreiche (Ni) und lithiumreiche geschichtete Oxidmaterialien aufgrund ihrer überlegenen spezifischen Kapazitäten im Vergleich zu klassischen LiCoO₂-Gegenstücken als aufkommende Kathodenmaterialien gelten, ist bekannt, dass die unvermeidliche Kationenmischung während des Ladens das geschichtete Gerüst zu Spinell- oder Steinsalzstrukturen abbaut, zusammen mit unerwünschten Nebenreaktionen an der Elektrodenoberfläche. Angesichts der bisher unternommenen Anstrengungen besteht eine der realistischsten Lösungen, um Schnellladungen von Kathodenmaterialien mit vernachlässigbarem Verlust an Energiedichte und Zyklenlebensdauer sofort zu erreichen, darin, leitfähige Schutzmaterialien zu finden, die mit minimalem Inhalt gleichmäßig auf die aktiven Materialien aufgetragen werden können. Die Suche nach fortschrittlichen Anodenmaterialien ist ebenfalls unerlässlich, da aktuelle Graphitanoden bei Hochladungen anfällig für die Abscheidung von Li-Metall sind. Hier berichten wir über eine Graphen-Siliziumdioxid (SiOₓ)-Anordnung, die als Graphenball (GB) bezeichnet wird, als Beschichtungsmaterial für hochkapazitive Ni-reiche geschichtete Kathodenmaterialien sowie als LIB-Anodenmaterial. Jeder GB besteht aus einem SiOₓ-Nanopartikelzentrum und umgebenden Graphenschichten, die eine dreidimensionale (3D) popcornartige Struktur bilden. Die SiOₓ-Nanopartikel spielen eine entscheidende Rolle in mehrfacher Hinsicht, wie z. B. bei der Vermeidung der Bildung einer Siliziumkarbid (SiC)-Schicht an der SiOₓ-Graphen-Grenzfläche während des Graphenwachstums, der Gewährleistung einer gleichmäßigen Beschichtung von GB auf dem Kathodenmaterial und der Bereitstellung einer hohen spezifischen Kapazität, wenn GB als Anodenmaterial verwendet wird. Die gleichmäßige Beschichtung von GB auf der Ni-reichen geschichteten Kathode verbessert die Grenzflächenstabilität mit dem Elektrolyten und die elektronische Leitfähigkeit über die Elektrode, was die Zyklierbarkeit und Schnellladefähigkeit der Kathode erheblich verbessert. Unter Ausnutzung der einzigartigen Vorteile von GB zeigt die Vollzelle, die aus der GB-beschichteten Kathode und der GB-Anode besteht, die Möglichkeit einer hohen volumetrischen Energiedichte von fast 800 Wh L⁻¹ unter kommerziellen Zellbedingungen, zusammen mit einem Kapazitätserhalt von 78,6 % nach 500 Zyklen bei 5C und 60 °C. Ergebnisse Synthese des Graphenballs Zur Synthese des popcornartigen GB entwickelten wir ein CVD-Verfahren für das Graphenwachstum. CH₄-Gas wurde in Gegenwart von SiO₂-Nanopartikeln mit Durchmessern von 20–30 nm bei 1000 °C in einen Ofen eingeleitet. Bei dieser Temperatur wird CH₄ zersetzt, um Wasserstoffatome zu erzeugen, die anschließend SiO₂ zu SiOₓ (x < 2) reduzieren können. OH⁻ wird auch gleichzeitig durch die folgende Reaktion gebildet: Das Hauptmerkmal dieser Reaktion ist, dass das gebildete SiOₓ katalytische Stellen für das Graphenwachstum liefert und OH⁻ als mildes Oxidationsmittel für die Bildung von graphitischem Kohlenstoff zu Graphen dient , . Die Rolle von milden Oxidationsmitteln bei der Bildung von graphitischem Kohlenstoff wurde kürzlich rationalisiert, indem gezeigt wurde, dass ohne ein mildes Oxidationsmittel die Bildung von amorphem Kohlenstoff dominanter ist. In Gegenwart eines milden Oxidationsmittels wurde jedoch entdeckt, dass die Reaktion in Richtung CO- oder CO₂-Bildung für Kohlenstoffatome bevorzugt ist, die sonst zu amorphem Kohlenstoff geworden wären. Tatsächlich ist das leichte Wachstum von Graphen mit Metallkatalysatoren bekanntermaßen ähnlich , , , wobei der auf der Metalloberfläche verbleibende Sauerstoff zu einer bevorzugten Reaktion in Richtung der Bildung von graphitischem Kohlenstoff führt. Die Anwesenheit eines milden Oxidationsmittels verhindert die Bildung einer Siliziumkarbid (SiC)-Schicht auf der Oberfläche von SiOₓ, da das Oxidationsmittel die Reduktion von Si zu SiC verhindert . 14 15 16 17 18 19 19 In unserem Reaktionsschema, das auf der ausschließlichen Verwendung von CH₄ basiert, wuchs Graphen bei Temperaturen unter 900 °C kaum. Bei 1050 °C und darüber wurde das Graphenwachstum zu aggressiv in Richtung Graphitbildung (Ergänzende Abb. 1). Bemerkenswerterweise ist die Wachstumstemperatur von 1000 °C niedriger als die (1100–1400 °C), die normalerweise für CVD-basierte Graphenwachstumsverfahren auf Si- und SiO₂-Substraten ohne Metallkatalysatoren verwendet wird , , . Die entscheidende Rolle der Wachstumsumgebung wurde durch ein Kontrollexperiment (Ergänzende Abb. 2) verdeutlicht; nach den herkömmlichen CVD-Verfahren mit Metallkatalysatoren wurden CH₄ und H₂ in einem volumetrischen Flussverhältnis von 3:7 bei 1000 °C zugeführt. Da die Zersetzung von CH₄ durch die große Menge an H₂ behindert wurde, war das Graphenwachstum tatsächlich sehr langsam, was die Bedeutung der ausschließlichen Verwendung von CH₄ für das effiziente Graphenwachstum in unserem Syntheseprotokoll aufzeigt. Insgesamt unterscheidet sich die Wahl der Reaktanten und die Reaktionstemperatur im vorliegenden Reaktionsschema von früheren CVD-basierten Gegenstücken, die Metallkatalysatoren verwenden, und spielt eine Schlüsselrolle bei der Herstellung einer Graphen-SiOₓ-Anordnung mit der 3D-Hierarchiestruktur. 20 21 22 Eine Reihe von Rasterelektronenmikroskopie (REM) (Ergänzende Abb. 3a–f) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) Analysen (Abb. 1a–g), die während des CVD-Prozesses durchgeführt wurden, spiegeln die Änderungen im Graphenwachstum und der Morphologie wider. Nach 5 Minuten des CVD-Prozesses wurde ein 2–3 Schichten dicker Graphenfilm vage entlang der Oberfläche von SiO₂ beobachtet (Abb. 1b, e), wobei die Pulverfarbe schwarz wurde (Ergänzende Abb. 3g). Das Graphenwachstum wurde nach 30 Minuten des CVD-Prozesses deutlicher, wo eine 3D-Blattmorphologie klar sichtbar war (Abb. 1c, f). Das hochauflösende TEM-Bild (Abb. 1g) zeigt die hexagonale atomare Anordnung in einem Abschnitt von Graphen, die seine Basalebene widerspiegelt. Nach 30 Minuten wurde auch beobachtet, dass die Größen der SiO₂-Nanopartikel von durchschnittlich 28,2 auf 15,3 nm abnahmen (Ergänzende Abb. 4). Dies geschah, weil das Graphenwachstum die bereits erwähnte Reduktion von SiO₂ und die anschließende OH⁻-Bildung beinhaltet. Daher ist das gesamte Graphenwachstum ziemlich analog zu einem Popcorn, das sich in der 3D-Bulk-Struktur ausdehnt, auf Kosten der ursprünglichen Kerne (Abb. 1h). Graphenwachstum aus SiO₂-Nanopartikeln. – TEM-Charakterisierung vor dem CVD-Wachstum, nach 5 min Wachstum und nach 30 min Wachstum (Maßstäbe, 50 nm). – Ihre jeweiligen vergrößerten Bilder (Maßstäbe, 10 nm). Bild mit höherer Vergrößerung von Graphen nach 30 min Wachstum und seine atomare Ansicht aus der weißen Box (Inset) (Maßstab, 2 nm). Grafische Darstellung des popcornartigen Graphenwachstums aus SiO₂-Nanopartikeln. a c a b c d f g h Das Graphenwachstum wurde durch eine Reihe zusätzlicher Analysen weiter aufgeklärt. Röntgenbeugungs (XRD)-Spektren, die während des Wachstums erhalten wurden, deuten darauf hin, dass mit fortschreitendem CVD-Prozess die Peaks bei 2θ = 26,44° und 44°, die den (002)- und (101)-Ebenen von Graphit entsprechen, kontinuierlich wuchsen (Abb. 2a), was erneut die Bildung von graphitischem Kohlenstoff unterstützt , , . Das Graphenwachstum spiegelte sich auch in den Peaks bei 284,5 und 291,5 eV im C 1s-Zweig der Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS)-Analyse wider (Abb. 2b) , . Der Peak bei 284,5 eV wird C-C- und C=C-Bindungen zugeordnet, die nach 30 Minuten Wachstum aufgrund der Bildung von graphitischem Kohlenstoff prominent auftraten. Die progressiven XPS-Peaks im Si 1s-Zweig der XPS-Analyse (Abb. 2c) bestätigen erneut die Reduktion von SiO₂ während des CVD-Prozesses. Mit zunehmender Wachstumszeit verschob sich der Peak nahe 103 eV zu niedrigeren Bindungsenergien aufgrund des verringerten Oxidationszustands von Si. Basierend auf der Präsenz und Intensität des Kohlenstoffsignals in der energiedispersiven Röntgen (EDX)-Kartierung (Abb. 2d–g) wurde festgestellt, dass selbst nach 5 Minuten Graphenwachstum tatsächlich entlang der Oberfläche von SiOₓ stattfand, und nach 30 Minuten verbreitete sich das Wachstum über den gesamten Bildbereich, während Si und O homogen verteilt blieben. Der Gewichtsanteil von Graphen und die Ergebnisse der Raman-Analyse, der spezifischen Oberfläche und der Leitfähigkeit von GB bei verschiedenen CVD-Wachstumszeiten sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Was die spezifische Oberfläche betrifft, so ist ihre Abnahme mit zunehmender Reaktionszeit auf die fortschreitende Graphitierung zurückzuführen, während der die Graphenschichten verschmelzen und stapeln. Detaillierte Raman- und thermogravimetrische (TG)-Analyse-Spektren sind in der Ergänzenden Abbildung 5 dargestellt. 23 24 25 22 23 25 Analyse des Graphenballs während seines Wachstums. – Überwachung des Graphenwachstums im Verlauf des CVD-Prozesses mittels XRD, XPS im C 1s-Zweig und XPS Si 2p-Zweig. – EDX-Elementkartierung bezüglich C, O und Si nach , 5 min und , 30 min Graphenwachstum aus SiO₂ (Maßstäbe, 50 nm). a c a b c d g d e f g Beschichtung des Graphenballs auf Ni-reichen Kathodenmaterial Aufgrund seiner atomar dünnen Schichtmorphologie gilt Graphen als eines der idealsten Materialien für die oberflächenschützende Beschichtung von hochkapazitiven geschichteten Kathodenmaterialien. Bei bekannten Lösungsverfahren , , , nach Hummers Methode ist eine gleichmäßige Beschichtung mit einem begrenzten Graphengehalt aufgrund von Agglomeration, die aus der starken elektrostatischen Wechselwirkung zwischen den Graphenschichten resultiert, nicht trivial. In dem Bestreben, das Agglomerationsproblem zu überwinden, wurde ein anderer Ansatz, wie das Zermahlen von Graphit mittels eines Kugelmühlenprozesses, eingeführt . Dieser Prozess ist jedoch normalerweise langsam (>6 h) und, was noch wichtiger ist, kann die Kristallinität des Wirtsmaterials schädigen. Es ist auch zu beachten, dass die Beschichtung mit amorphem Kohlenstoff durch CVD-Verfahren nicht auf Ni-reiche Oxidmaterialien anwendbar ist , , da die CVD-Prozesse Übergangsmetalle (TMs) extrahieren und die ursprüngliche Kristallstruktur des Wirtsmaterials stören. 26 27 28 29 30 31 32 Im Gegensatz dazu kann der in dieser Studie synthetisierte GB mit einem minimalen Gehalt von 1 Gew.-% über ein mildes Nobilta-Fräseverfahren auf die Oberfläche von kommerziellem LiNi₀.₆Co₀.₁Mn₀.₃O₂-Pulver (Größe = ~10 µm) aufgetragen werden. Der Beschichtungsprozess ist ebenfalls recht schnell (~10 min bei 3000 U/min). Die SiOₓ-Kerne spielen eine entscheidende Rolle bei dieser gleichmäßigen Beschichtung bei geringen Gewichtanteilen. Die SiOₓ-Kerne machen 57,5 Gew.-% des GB aus (TG-Ergebnis in Ergänzender Abb. 5b) und ermöglichen im Beschichtungsprozess, dass der GB eine Scherkraft auf die Oberfläche von LiNi₀.₆Co₀.₁Mn₀.₃O₂ ausübt, was eine intime Wechselwirkung und sogar ein Eindringen bewirkt. Um dieses Phänomen zu bestätigen, wurde der gleiche Beschichtungsprozess mit einer physikalischen Mischung aus 0,5 Gew.-% SiO₂ und 0,5 Gew.-% Graphen durchgeführt. Diese Probe zeigte kristalline Schäden im Oberflächenbereich des NCM aufgrund aggressiver Kollisionen zwischen den LiNi₀.₆Co₀.₁Mn₀.₃O₂-Partikeln sowie zwischen den LiNi₀.₆Co₀.₁Mn₀.₃O₂-Partikeln und der Reaktorwand (Ergänzende Abb. 6). Diese Phänomene wurden durch die Graphenagglomeration verstärkt, die in Abwesenheit der 3D-Hierarchiestrukturen mit SiOₓ-Partikelzentren auftrat. Die gleichmäßige Beschichtung von GB wurde durch REM- und TEM-Analysen bestätigt. Im Folgenden werden LiNi₀.₆Co₀.₁Mn₀.₃O₂ vor und nach der GB-Beschichtung als pristine NCM bzw. GB-NCM bezeichnet. REM-Bilder mit geringer Vergrößerung von NCM vor und nach der GB-Beschichtung (Abb. 3a, b, Ergänzende Abb. 6a, b) zeigten sehr ähnliche Morphologien aufgrund der gleichmäßigen Verteilung des geringen GB-Anteils. Ein REM-Bild von GB-NCM mit höherer Vergrößerung zeigt jedoch, dass GB in die Zwischenräume zwischen den Primärpartikeln von NCM eingedrungen ist (Abb. 3d). Das Eindringen von GB wurde in TEM-Bildern deutlicher beobachtet (Abb. 3e, f). In Abb. 3e wurde ein Graphenblatt im offenen Raum über einem NCM-Partikel beobachtet (siehe rote gestrichelte Linien). Einige Graphenblätter waren entlang der Oberfläche von NCM ausgerichtet und zeigten einen konsistenten Zwischenschichtabstand von 3,3 oder 3,4 Å (Abb. 3f). Beschichtung von GB auf LiNi₀.₆Co₀.₁Mn₀.₃O₂. REM-Bilder von LiNi₀.₆Co₀.₁Mn₀.₃O₂ , vor (Maßstäbe, 2 µm und 200 nm bzw.) und , nach GB-Beschichtung (Maßstäbe, 2 µm und 200 nm bzw.). , TEM-Bilder von Graphenblättern (Maßstäbe, 5 nm). Zwischen Primärpartikeln von LiNi₀.₆Co₀.₁Mn₀.₃O₂ gelegen und entlang Primärpartikeln von LiNi₀.₆Co₀.₁Mn₀.₃O₂ beschichtet. , EDX-Elementkartierung von LiNi₀.₆Co₀.₁Mn₀.₃O₂ bezüglich C und Si (Maßstäbe, 2 µm). Vor und nach GB-Beschichtung. Raman-Spektren von GB, pristine LiNi₀.₆Co₀.₁Mn₀.₃O₂ und GB-beschichtetem LiNi₀.₆Co₀.₁Mn₀.₃O₂. XPS-Spektren der gleichen drei Proben im C 1s-Zweig. Schematische Darstellung der GB-Beschichtung auf LiNi₀.₆Co₀.₁Mn₀.₃O₂. a c b d e f e f g h g h i j k Die EDX-Elementkartierung vor und nach der GB-Beschichtung (Abb. 3g, h) zeigt ebenfalls die homogene Verteilung von GB über den gesamten Bereich jedes NCM-Partikels. In der Raman-Analyse (Abb. 3i) zeigte pristine NCM keine Peaks, während die Beschichtung von GB im Fall von GB-NCM durch seine D-, G- und 2D-Peaks widergespiegelt wurde, die mit denen von blankem GB übereinstimmten. Ebenso wurde die Bildung von graphitischem Kohlenstoff, dargestellt durch C-C- und C=C-Bindungen, im XPS C 1s-Spektrum von GB-NCM nachgewiesen (Abb. 3j). Ein Satellitenpeak bei 291,5 eV unterstützt ebenfalls die Bildung von graphitischem Kohlenstoff . Wichtig ist, dass selbst eine Zugabe von 1 Gew.-% GB die Leitfähigkeit des NCM-Pulvers in pelletierter Form erheblich verbesserte; pelletisiertes pristine NCM und GB-NCM zeigten Leitfähigkeitswerte von 1,13 × 10⁻³ bzw. 9,72 × 10⁻² s cm⁻¹. Insgesamt ermöglicht die einzigartige hierarchische Struktur von GB seine gleichmäßige Beschichtung über NCM-Pulver im Mikrometerbereich mit minimalem Gehalt (Abb. 3k) und ergänzt die relativ geringe Leitfähigkeit von NCM. 23 Batterietests Um die Auswirkung der GB-Beschichtung auf die Batterieleistung zu testen, wurden sowohl pristine NCM als auch GB-NCM zunächst in einer Halbzellenkonfiguration mit einer Li-Metallscheibe als Gegen- und Referenzelektrode untersucht. Wir diskutieren zunächst die von uns verwendeten Elektrodenbedingungen, um die kommerzielle Rentabilität des GB-basierten Ansatzes zu betonen. In aktuellen kommerziellen LIB-Kathoden auf LiCoO₂-Basis (z. B. für Smartphones) nimmt das aktive Material 96–97 Gew.-% der Elektrode ein, um die volumetrische Energiedichte zu maximieren . Bei Ni-reichen aktiven Materialien ist aufgrund ihrer geringeren elektrischen Leitfähigkeit derzeit ein Anteil von ~92 Gew.-% als optimaler Wert akzeptiert, wobei ein leitfähiges Mittel und ein Binder jeweils ~4 Gew.-% ausmachen. 3 In unserem Fall wurde in einem Versuch, die relativ geringe Leitfähigkeit von Ni-reichen Kathoden zu kompensieren und somit den Anteil des aktiven Materials auf das Niveau von LiCoO₂-basierten Elektroden zu erhöhen, eine Elektrode aus 97 Gew.-% NCM-Aktivmaterial, 0,5 Gew.-% Super P, 1,0 Gew.-% GB und 1,5 Gew.-% Polymerbinder (Polyvinylidenfluorid, PVDF) hergestellt (Details siehe Ergänzende Tabelle 1). Da SiOₓ-Kerne 57,5 Gew.-% des GB ausmachen (Ergänzende Abb. 5b), macht Graphen selbst nur 0,425 Gew.-% der gesamten Elektrode aus. Bemerkenswerterweise erhöhte die Steigerung des NCM-Gehalts (92 Gew.-% → 97 Gew.-%), die durch die verbesserte Leitfähigkeit aufgrund des integrierten GB ermöglicht wurde, die volumetrische Kapazität der Elektrode um ~33,3 %; bei einer gegebenen gravimetrischen Kapazität von 190 mAh g⁻¹ lieferten die GB-NCM- (97 Gew.-% Aktivmaterial) und die pristine NCM- (92 Gew.-% Aktivmaterial) Elektroden 760 bzw. 570 mAh cm⁻³ (Ergänzende Tabelle 2). Als Referenz betrugen die Schüttdichten von NCM in beiden Elektroden 4,0 bzw. 3,0 g cm⁻¹. Dieser große Unterschied ergibt sich aus der geringen Dichte von Super P; selbst eine kleine Änderung des Super P-Gehalts führt zu einem signifikanten Unterschied in der Schüttdichte des aktiven Materials. Tatsächlich hat die erhöhte volumetrische Kapazität auf der Kathodenseite einen drastischen Effekt auf die Vollzellen-Energiedichte, wie bei der Beschreibung der GB-Anode deutlich wird.