```html
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Autores: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 In Hyuk Son Jong Hwan Park Seongyong Park Kwangjin Park Sangil Han Jaeho Shin Seok-Gwang Doo Yunil Hwang Hyuk Chang Jang Wook Choi Resumo Mellorar unha propiedade sen sacrificar outras é un reto para as baterías de ión-litio debido á natureza de compensación entre os parámetros clave. Aquí informamos dun proceso de deposición química de vapor para cultivar unha montaxe de grafeno-sílice, chamada bola de grafeno. A súa estrutura tridimensional xerárquica co centro de nanopartículas de óxido de silicio permite que incluso o 1% en peso de bola de grafeno sexa recuberto uniformemente nun cátodo de material en capas rico en níquel mediante fresado Nobilta escalable. O recubrimento de bola de grafeno mellora a vida útil do ciclo e a capacidade de carga rápida ao suprimir reaccións secundarias prexudiciais e proporcionar vías condutoras eficientes. A propia bola de grafeno tamén serve como material de ánodo cunha alta capacidade específica de 716,2 mAh g⁻¹. Unha cela completa que incorpora bolas de grafeno aumenta a densidade de enerxía volumétrica nun 27,6% en comparación cunha cela de control sen bolas de grafeno, mostrando a posibilidade de acadar 800 Wh L⁻¹ nun entorno de cela comercial, xunto cunha alta ciclabilidade do 78,6% de retención de capacidade despois de 500 ciclos a 5C e 60 °C. Introdución O desenvolvemento continuo das baterías de ión-litio (LIBs) resultou en melloras notables en varios aspectos da súa operación, incluíndo a densidade de enerxía, a densidade de potencia, a vida útil do ciclo e a seguridade. Actualmente, os dispositivos de TI móbiles representan unha parte significativa das aplicacións de LIBs, onde as especificacións de funcionamento das LIBs de última xeración son na súa maioría satisfactorias , , . Non obstante, a medida que os vehículos eléctricos (VEs) penetraron nos mercados de LIBs, as propiedades electroquímicas clave impuxeron estándares máis desafiantes; mentres se desexan maiores densidades de enerxía para unha maior autonomía de condución, demándanse cinéticas de reacción melloradas para carga rápida e operacións de alta taxa. A seguridade é tamén un factor crítico para as aplicacións de VEs. Un desafío formidable reside en superar a relación de compensación entre estas propiedades clave; xeralmente non é trivial mellorar unha propiedade sen sacrificar outras. 1 2 3 Tal relación de compensación é particularmente obvia entre a densidade de enerxía e a carga rápida (ou capacidade de potencia). Mentres que o uso de nanomateriais como compoñentes activos , e a incorporación de nanomateriais de carbono , , como axentes condutores demostraron taxas de carga melloradas ao reducir a distancia de difusión de ións e a resistencia interna, a maioría desas abordaxes aínda requiren melloras antes de poder ser implementadas na tecnoloxía LIB actual. As densidades de volume dos nanomateriais son moito máis baixas que as das partículas de microescala convencionais, o que é prexudicial para a densidade de enerxía volumétrica, un factor crucial para moitas aplicacións de LIBs que o seu homólogo gravimétrico. Nun contexto similar cara á redución da resistencia interna, a integración de nanomateriais de carbono como o grafeno demostrou ser efectiva para aumentar a condutividade eléctrica de electrodos a escala de laboratorio. Non obstante, aínda non se demostrou a consecución dunha distribución uniforme dunha pequena porcentaxe en peso (é dicir, <3 wt%) de nanomateriais de carbono nun proceso de suspensión a gran escala. A modificación de materiais activos existentes mediante dopaxe con elementos estraños , ou control estequiométrico , , tamén pode aumentar a difusividade dos ións de Li e, polo tanto, a taxa de carga de materiais activos convencionais con dimensións micrométricas. A maioría desas abordaxes, con todo, son efectivas a costa da capacidade específica. 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Ademais, ademais da densidade de enerxía e a carga rápida, acadar unha longa vida útil do ciclo, especialmente a altas temperaturas (é dicir, 60 °C), segue sendo un desafío para as LIBs avanzadas que incorporan materiais de electrodos de alta capacidade. Mentres que os materiais de óxidos en capas ricos en níquel (Ni) e ricos en Li considéranse como futuros materiais de cátodo debido ás súas capacidades específicas superiores en comparación cos homólogos clásicos de LiCoO₂, sábese que a mestura catiónica inevitable durante a carga degrada o marco en capas en estruturas de espinela ou sal de rocha, xunto con reaccións secundarias non desexadas na superficie do electrodo. Considerando os esforzos realizados ata agora, unha das solucións máis realistas para acadar inmediatamente a carga rápida de materiais de cátodo cunha perda insignificante na densidade de enerxía e vida útil do ciclo implica atopar materiais protectores condutores que poidan ser recubertos uniformemente sobre os materiais activos cun contido mínimo. Tamén é esencial atopar materiais de ánodo avanzados porque os ánodos de grafito actuais sofren deposición de metal Li durante a carga de alta taxa. Aquí informamos dunha montaxe de grafeno-sílice (SiOₓ), chamada bola de grafeno (GB), como material de recubrimento para materiais de cátodo en capas ricos en níquel de alta capacidade, así como un material de ánodo de LIB. Cada GB está composto por un centro de nanopartículas de SiOₓ e capas de grafeno circundantes, constituíndo unha estrutura tridimensional (3D) similar a unha variedade. As nanopartículas de SiOₓ xogan un papel crucial en múltiples aspectos, como evitar a formación dunha capa de carburo de silicio (SiC) na interface SiOₓ-grafeno durante o crecemento do grafeno, asegurando o recubrimento uniforme de GB no material de cátodo e proporcionando unha alta capacidade específica cando GB se usa como material de ánodo. O recubrimento uniforme de GB no cátodo en capas rico en níquel mellora a estabilidade interfacial co electrólito e a condutividade electrónica sobre o electrodo, mellorando substancialmente a ciclabilidade e a capacidade de carga rápida do cátodo. Tomando as vantaxes únicas de GB, a cela completa que consiste no cátodo recuberto de GB e o ánodo de GB demostra a posibilidade dunha alta densidade de enerxía volumétrica próxima a 800 Wh L⁻¹ nunha condición de cela comercial, xunto cunha retención de capacidade do 78,6% despois de 500 ciclos a 5C e 60 °C. Resultados Síntese da bola de grafeno Para sintetizar a GB tipo variedade, desenvolvemos un proceso de deposición química de vapor (CVD) para o crecemento do grafeno. Alimentouse gas CH₄ nun forno en presenza de nanopartículas de SiO₂ con diámetros de 20-30 nm a 1000 °C. A esta temperatura, o CH₄ descomponse para xerar átomos de hidróxeno, que posteriormente poden reducir o SiO₂ a SiOₓ (x < 2). Tamén se produce simultaneamente OH⁻ mediante a seguinte reacción: A característica clave nesta reacción é que o SiOₓ producido proporciona sitios catalíticos para o crecemento do grafeno, e o OH⁻ serve como un oxidante suave para facilitar a formación de carbono grafítico cara ao grafeno , . O papel dos oxidantes suaves na formación de carbono grafítico foi recentemente racionalizado  dun xeito tal que, sen un oxidante suave, a formación de carbono amorfo é máis dominante. Non obstante, en presenza dun oxidante suave, descubriuse que a reacción cara á formación de CO ou CO₂ é preferida para os átomos de carbono que doutro xeito se terían convertido en carbono amorfo. De feito, coñécese o crecemento fácil do grafeno utilizando catalizadores metálicos dun xeito similar , , , onde o osíxeno restante na superficie metálica leva á reacción preferente cara á formación de carbono grafítico. A presenza dun oxidante suave evita a formación dunha capa de carburo de silicio (SiC) na superficie do SiOₓ porque o oxidante evita a redución de Si cara á formación de SiC . 14 15 16 17 18 19 19 No noso esquema de reacción baseado no uso exclusivo de CH₄, a temperaturas inferiores a 900 °C, o grafeno apenas crecía. En contraste, a 1050 °C e por riba, o crecemento do grafeno volveuse demasiado agresivo cara á formación de grafito (Figura Suplementaria ). Notablemente, a temperatura de crecemento de 1000 °C é inferior ás (1100–1400 °C) normalmente empregadas para o crecemento de grafeno baseado en CVD sobre substratos de Si e SiO₂ sen catalizadores metálicos , , . O papel crítico do ambiente de crecemento aclarárono un experimento de control (Figura Suplementaria ); seguindo os procesos CVD convencionais que usan catalizadores metálicos, CH₄ e H₂ alimentáronse nunha relación de fluxo volumétrico de 3:7 a 1000 °C. Dado que a descomposición do CH₄ foi impedida pola gran cantidade de H₂, o crecemento do grafeno foi de feito moi lento, revelando a importancia do uso exclusivo de CH₄ no crecemento eficiente do grafeno no noso protocolo de síntese. En xeral, a elección de reactivos e a temperatura de reacción no presente esquema de reacción distínguense dos homólogos baseados en CVD anteriores que empregan catalizadores metálicos e xogan un papel clave na produción dunha montaxe de grafeno-SiOₓ coa estrutura xerárquica 3D. 1 20 21 22 2 Unha serie de análises de microscopio electrónico de varrido (SEM) (Figuras Suplementarias ) e de microscopio electrónico de transmisión (TEM) (Figura ) realizadas durante o proceso CVD reflicten os cambios no crecemento e na morfoloxía do grafeno. Despois de 5 minutos do proceso CVD, observouse vagamente unha película de grafeno de 2-3 capas de espesor ao longo da superficie do SiO₂ (Figura , e), coa cor do po converténdose en negro (Figura Suplementaria ). O crecemento do grafeno fíxose máis prominente despois de 30 minutos do proceso CVD, onde a morfoloxía de folla 3D era claramente visible (Figura , f). A imaxe TEM de alta magnificación (Figura ) captura as disposicións atómicas hexagonais nunha sección de grafeno, que reflicten o seu plano basal. Despois de 30 minutos, tamén se observou que os tamaños das nanopartículas de SiO₂ diminuíron de 28,2 a 15,3 nm de media (Figura Suplementaria ). Isto ocorreu porque o crecemento do grafeno implica a mencionada redución de SiO₂ e a posterior formación de OH⁻. Polo tanto, o crecemento global do grafeno é bastante análogo a unha variedade expandíndose na estrutura voluminosa 3D, producida a costa dos núcleos orixinais (Figura ). 3a–f 1a–g 1b 3g 1c 1g 4 1h   Crecemento de grafeno a partir de nanopartículas de SiO₂.   –  Caracterización TEM   antes do crecemento CVD,   despois de 5 minutos de crecemento e   despois de 30 minutos de crecemento (barras de escala, 50 nm).  –  As súas imaxes respectiva ampliadas (barras de escala, 10 nm).   Imaxe de maior magnificación de grafeno despois de 30 minutos de crecemento e a súa vista a nivel atómico da caixa branca (inlet) (barra de escala, 2 nm).   Ilustración gráfica do crecemento de grafeno tipo variedade a partir de nanopartículas de SiO₂ a c a b c d f g h O crecemento do grafeno foi ademais elucidado por unha serie de análises adicionais. Os espectros de difracción de raios X (XRD) obtidos durante o crecemento indican que a medida que o proceso CVD progresa, os picos a 2θ = 26,44° e 44°, correspondentes aos planos (002) e (101) do grafito, creceron continuamente (Figura ), apoiando unha vez máis a formación de carbono grafítico , , . O crecemento do grafeno tamén se reflectiu nos picos a 284,5 e 291,5 eV na rama C 1s da análise de espectroscopia de fotoelectróns de raios X (XPS) (Figura ) , . O pico a 284,5 eV está asignado a enlaces C-C e C=C, que apareceron prominentemente despois de 30 minutos de crecemento debido á formación de carbono grafítico. Os picos progresivos de XPS na rama Si 1s da análise de XPS (Figura ) reconfirman  a redución de SiO₂ durante o proceso CVD. Cun tempo de crecemento crecente, o pico preto de 103 eV desprazouse a enerxías de enlace máis baixas debido ao menor estado de oxidación do Si. Baseándose na presenza e intensidade do sinal de carbono no mapeo de raios X de enerxía dispersiva (EDX) (Figuras ), atopouse que mesmo despois de 5 minutos, o crecemento do grafeno tivo lugar ao longo da superficie do SiOₓ, e despois de 30 minutos, o crecemento estendeuse por toda a área da imaxe, mentres que Si e O permaneceron homoxeneamente distribuídos. A porción en peso de grafeno, e os resultados da análise Raman, área superficial específica e condutividade de GB en diferentes tempos de crecemento CVD resúmanse na Táboa . En canto á área superficial específica, a súa diminución co aumento do tempo de reacción atribúese á grafitización progresiva durante a cal as capas de grafeno se fusionan e apilan. Detallan espectros de análise Raman e termogravimétrica (TG) que se presentan na Figura Suplementaria . 2a 23 24 25 2b 22 23 2c 25 2d–g 1 5   Análise da bola de grafeno durante o seu crecemento.   –  Monitorización do crecemento do grafeno durante o proceso CVD usando   XRD,   XPS na rama C 1s e   rama Si 2p de XPS.  –  Mapeo elemental EDX con respecto a C, O e Si despois de  ,   5 minutos e  ,   30 minutos de crecemento de grafeno a partir de SiO₂ (barras de escala, 50 nm) a c a b c d g d e f g Recubrimento da bola de grafeno no material de cátodo rico en Ni Debido á súa morfoloxía de capas atómicamente finas, o grafeno considerouse un dos materiais máis ideais para o recubrimento protector superficial de materiais de cátodo de alta capacidade. Non obstante, no caso dos procesos de solución ben coñecidos , , , baseados no método de Hummer, acadar un recubrimento uniforme cun contido limitado de grafeno non é trivial debido á aglomeración, que xorde da forte interacción electrostática entre as follas de grafeno. Nun esforzo por superar o problema da aglomeración, introduciuse unha abordaxe diferente, como a trituración de grafito empregando un proceso de fresado con bolas . Non obstante, este proceso adoita ser lento (>6 h) e, máis criticamente, pode danar a cristalinidade do material anfitrión. Tamén se debe notar que o recubrimento de carbono amorfo por procesos CVD non é aplicable a materiais de óxido ricos en Ni , porque os procesos CVD extraen metais de transición (TMs), perturbando a estrutura cristalina orixinal do material anfitrión. 26 27 28 29 30 31 32 En contraste, a GB sintetizada neste estudo pode ser recuberta na superficie de po comercial de LiNi₀.₆Co₀.₁Mn₀.₃O₂ (tamaño = ~10 µm) cun contido mínimo do 1% en peso mediante un proceso de fresado Nobilta suave. O proceso de recubrimento tamén é bastante rápido (~10 min a 3000 rpm). As sementes de SiOₓ xogan un papel crítico para permitir este recubrimento uniforme con baixos contidos en peso. As sementes de SiOₓ constitúen o 57,5% en peso da GB (resultado TG na Figura Suplementaria ) e no proceso de recubrimento, a súa presenza permite que a GB exerza unha forza de cizalla sobre a superficie do LiNi₀.₆Co₀.₁Mn₀.₃O₂, producindo unha interacción íntima e incluso penetración. Para confirmar este fenómeno, realizouse o mesmo proceso de recubrimento cunha mestura física de 0,5% en peso de SiO₂ e 0,5% en peso de grafeno. Esta mostra sufriu danos cristalinos na rexión superficial do NCM debido a colisións agresivas entre as partículas de LiNi₀.₆Co₀.₁Mn₀.₃O₂ así como entre as partículas de LiNi₀.₆Co₀.₁Mn₀.₃O₂ e a parede do reactor (Figura Suplementaria ). Estes fenómenos amplificáronse pola aglomeración de grafeno que ocorreu na ausencia das estruturas xerárquicas 3D que conteñen os centros de partículas de SiO₂. 5b 6 O recubrimento uniforme de GB confirmouse mediante análises SEM e TEM. A partir de agora, LiNi₀.₆Co₀.₁Mn₀.₃O₂ antes e despois do recubrimento de GB denótase como NCM prístino e GB-NCM, respectivamente. Imaxes SEM de baixa magnificación do NCM antes e despois do recubrimento de GB (Figuras , Figura Suplementaria ) mostraron morfoloxías moi similares debido á distribución uniforme do baixo contido de GB. Non obstante, unha imaxe SEM de maior magnificación de GB-NCM indica que a GB penetrou nos espazos entre as partículas primarias de NCM (Figura ). A penetración de GB observouse máis claramente nas imaxes TEM (Figuras , f). Na Figura , observouse unha folla de grafeno no espazo aberto por riba dunha partícula de NCM (ver liñas de puntos vermellas). Algúns follas de grafeno aliñáronse ao longo da superficie do NCM e mostraron unha distancia interplanar constante de 3,3 ou 3,4 Å (Figura ). 3a, b 6a, b 3d 3e 3e 3f   Recubrimento de GB sobre LiNi₀.₆Co₀.₁Mn₀.₃O₂. Imaxes SEM de LiNi₀.₆Co₀.₁Mn₀.₃O₂  ,   antes (barras de escala, 2 µm e 200 nm, respectivamente) e  ,   despois do recubrimento de GB (barras de escala, 2 µm e 200 nm, respectivamente).  ,   Imaxes TEM de follas de grafeno (barras de escala, 5 nm).   Situado entre partículas primarias de LiNi₀.₆Co₀.₁Mn₀.₃O₂ e   recuberto ao longo de partículas primarias de LiNi₀.₆Co₀.₁Mn₀.₃O₂.  ,   Mapeo elemental EDX de LiNi₀.₆Co₀.₁Mn₀.₃O₂ con respecto a C e Si (barras de escala, 2 µm).   Antes e   despois do recubrimento de GB.   Espectros Raman de GB, LiNi₀.₆Co₀.₁Mn₀.₃O₂ prístino e LiNi₀.₆Co₀.₁Mn₀.₃O₂ recuberto de GB.   Espectros XPS das mesmas tres mostras na rama C 1s.   Ilustración esquemática do recubrimento de GB sobre LiNi₀.₆Co₀.₁Mn₀.₃O₂ a c b d e f e f g h g h i j k O mapeo elemental EDX antes e despois do recubrimento de GB (Figuras ) tamén indica a distribución homoxénea de GB sobre toda a área de cada partícula de NCM. Na análise Raman (Figura ), o NCM prístino non amosou ningún pico, mentres que o recubrimento de GB no caso de GB-NCM reflectiuse nos seus picos D, G e 2D, que foron comensurables cos do GB espido. Do mesmo xeito, a formación de carbono grafítico representada por enlaces C–C e C=C detectouse no espectro XPS C 1s do GB-NCM (Figura ). Un pico satélite a 291,5 eV tamén apoia a formación de carbono grafítico 3g, h 3i 3j

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

Este audio está producido na lingua orixinal da historia!

Carga máis rápida, vida máis longa: O truco do grafeno que mellora as baterías de litio

About Author

COMENTARIOS

Etiquetas colgantes

ESTE ARTIGO FOI PRESENTADO EN

Related Stories

HackerNoon Decoded 2024: Celebrating Our Tech Stories Community!

HackerNoon Decoded 2024: Celebrating Our Science Community!

Coñece R Systems: HackerNoon empresa da semana

HackerNoon Decoded 2024: Celebrating Our HackerNoon Community!

HackerNoon Decoded 2024: Celebrating Our Tech Stories Community!

HackerNoon Decoded 2024: Celebrating Our Science Community!

Coñece R Systems: HackerNoon empresa da semana

HackerNoon Decoded 2024: Celebrating Our HackerNoon Community!

Light-Mode

Classic

Newspaper

Minty

Dark-Mode

Neon Noir

Minty

HN StartUps