```html
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Autori: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 In Hyuk Son Jong Hwan Park Seongyong Park Kwangjin Park Sangil Han Jaeho Shin Seok-Gwang Doo Yunil Hwang Hyuk Chang Jang Wook Choi Sažetak Poboljšanje jednog svojstva bez žrtvovanja drugih predstavlja izazov za litij-ionske baterije zbog prirode kompromisa među ključnim parametrima. Ovdje izvještavamo o procesu kemijske taložne iz pare (CVD) za uzgoj sklopova grafena i silicijevog dioksida, nazvanih grafenske kuglice. Njegova hijerarhijska trodimenzionalna struktura sa središtem od nan čestica silicijevog oksida omogućuje ravnomjerno premazivanje čak i 1 wt% grafenskih kuglica na niklom bogatu slojevitu katodu putem skalabilnog Nobilta mljevenja. Premaz grafenskim kuglicama poboljšava vijek trajanja ciklusa i sposobnost brzog punjenja potiskivanjem štetnih sporednih reakcija i pružanjem učinkovitih provodnih putova. Sama grafenska kuglica također služi kao anodni materijal s visokim specifičnim kapacitetom od 716,2 mAh g−1. Puna ćelija koja uključuje grafenske kuglice povećava volumnu gustoću energije za 27,6% u usporedbi s kontrolnom ćelijom bez grafenskih kuglica, pokazujući mogućnost postizanja 800 Wh L−1 u komercijalnom postavljanju ćelija, zajedno s visokom cikličkom stabilnošću od 78,6% zadržavanja kapaciteta nakon 500 ciklusa pri 5C i 60 °C. Uvod Neprestani razvoj litij-ionskih baterija (LIB) rezultirao je značajnim poboljšanjima u raznim aspektima njihovog rada, uključujući gustoću energije, gustoću snage, vijek trajanja ciklusa i sigurnost. Trenutno, mobilni IT uređaji čine značajan dio primjene LIB-ova, gdje su radne specifikacije trenutnih najsuvremenijih LIB-ova uglavnom zadovoljavajuće , , . Međutim, kako su električna vozila (EV) prodrla na tržišta LIB-ova, ključna elektrokemijska svojstva postavila su zahtjevnije standarde; dok se žele veće gustoće energije za povećani domet vožnje, zahtijevaju poboljšane kinetike reakcija za brzo punjenje i rad pri visokim brzinama. Sigurnost je također definitivno ključni čimbenik za primjenu u EV-ovima. Značajan izazov leži u prevladavanju međuodnosa među tim ključnim svojstvima; obično nije jednostavno poboljšati jedno svojstvo bez žrtvovanja drugih. 1 2 3 Takav međuodnos posebno je očigledan između gustoće energije i brzog punjenja (ili sposobnosti snage). Dok su nanomaterijali kao aktivne komponente ,  i uključivanje ugljičnih nanomaterijala , ,  kao provodnih sredstava pokazali poboljšane brzine punjenja smanjenjem udaljenosti difuzije iona i unutarnjeg otpora, većina tih pristupa još uvijek zahtijeva daljnja poboljšanja prije nego što se mogu implementirati u trenutnu LIB tehnologiju. Tap-gustoće nanomaterijala daleko su niže od onih konvencionalnih mikročestica, što je štetno za volumnu gustoću energije, ključni faktor za mnoge primjene LIB-ova od gravimetričkog ekvivalenta. U sličnom kontekstu prema smanjenju unutarnjeg otpora, integracija ugljičnih nanomaterijala poput grafena pokazala se učinkovitom u povećanju električne vodljivosti laboratorijskih elektroda. Međutim, postizanje jednolike raspodjele malog težinskog sadržaja (tj. <3 wt%) ugljičnih nanomaterijala u procesu slurine velikih razmjera još nije demonstrirano. Modifikacija postojećih aktivnih materijala dopiranjem stranim elementima ,  ili stehiometrijska kontrola , ,  također mogu povećati difuzivnost Li iona, a time i brzinu punjenja konvencionalnih aktivnih materijala s dimenzijama u mikrometrima. Većina tih pristupa, međutim, učinkovita je po cijenu specifičnog kapaciteta. 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Nadalje, osim gustoće energije i brzog punjenja, postizanje dugog vijeka trajanja ciklusa, posebno pri visokim temperaturama (tj. 60 °C), još uvijek ostaje izazov za napredne LIB-ove koji uključuju materijale elektroda visokog kapaciteta. Iako se niklom (Ni)-bogati i litijem bogati slojeviti oksidni materijali smatraju nadolazećim katodnim materijalima zbog njihovih superiornih specifičnih kapaciteta u usporedbi s onima klasičnih LiCoO2 parnjaka, dobro je poznato da neizbježno miješanje kationa tijekom punjenja degradira slojeviti okvir do spinela ili struktura sličnih stijenama, zajedno s neželjenim sporednim reakcijama na površini elektrode. S obzirom na dosadašnje napore, jedno od najrealističnijih rješenja za neposredno postizanje brzog punjenja katodnih materijala s zanemarivim gubitkom gustoće energije i vijeka trajanja ciklusa uključuje pronalaženje provodnih zaštitnih materijala koji se mogu ravnomjerno premazati na aktivne materijale s minimalnim sadržajem. Pronalaženje naprednih anodnih materijala također je bitno jer trenutne grafitne anode pate od taloženja Li metala pri punjenju velikom brzinom. Ovdje izvještavamo o sklopu grafena i silicijevog dioksida (SiO   ), nazvanom grafenska kuglica (GB), kao materijalu za premazivanje katodnih materijala bogatih niklom visokog kapaciteta, kao i anodnog materijala za LIB. Svaka GB sastoji se od središta nan čestica SiO   i okolnih grafenskih slojeva, čineći trodimenzionalnu (3D) strukturu nalik kokicama. Nan čestice SiO   igraju ključnu ulogu u višestrukim aspektima, kao što je izbjegavanje stvaranja sloja silicijevog karbida (SiC) na sučelju SiO   –grafen tijekom rasta grafena, osiguravanje ravnomjernog premazivanja GB-a na katodni materijal i pružanje visokog specifičnog kapaciteta kada se GB koristi kao anodni materijal. Ravnomjerno premazivanje GB-a na niklom bogatu slojevitu katodu poboljšava interfacijalnu stabilnost s elektrolitom i elektroničku vodljivost preko elektrode, značajno poboljšavajući cikličku stabilnost i sposobnost brzog punjenja katode. Uzimajući u obzir jedinstvene prednosti GB-a, puna ćelija koja se sastoji od katode premazane GB-om i anode GB pokazuje mogućnost visoke volumnčne gustoće energije blizu 800 Wh L−1 u komercijalnom stanju ćelije, zajedno sa 78,6% zadržavanja kapaciteta nakon 500 ciklusa pri 5C i 60 °C. x x x x Rezultati Sinteza grafenske kuglice Za sintezu strukture nalik kokicama GB, razvili smo proces kemijske taložne iz pare (CVD) za rast grafena. CH4 plin je doveden u peć u prisutnosti SiO2 nan čestica promjera 20–30 nm pri 1000 °C. Na ovoj temperaturi, CH4 se raspada kako bi stvorio atome vodika, koji potom mogu reducirati SiO2 do SiO   (   < 2). OH− se također istovremeno proizvodi sljedećom reakcijom: x x Ključna značajka ove reakcije je da proizvedeni SiO   pruža katalitička mjesta za rast grafena, a OH− služi kao blagi oksidans za olakšavanje nastajanja grafitnog ugljika prema grafenu , . Uloga blagih oksidansa na nastajanje grafitnog ugljika nedavno je racionalizirana  na način da, bez blagog oksidansa, nastajanje amorfne karbona prevladava. Međutim, u prisutnosti blagog oksidansa, otkriveno je da je reakcija prema nastajanju CO ili CO2 preferirana za atome ugljika koji bi inače evoluirali u amorfni ugljik. Zapravo, poznato je da se lako rast grafena pomoću metalnih katalizatora odvija na sličan način , , , gdje preostali kisik na površini metala dovodi do preferencijalne reakcije prema nastajanju grafitnog ugljika. Prisutnost blagog oksidansa sprječava nastajanje sloja silicijevog karbida (SiC) na površini SiO   jer oksidans sprječava redukciju Si prema nastajanju SiC . x 14 15 16 17 18 19 x 19 U našoj shemi reakcije temeljene na isključivoj upotrebi CH4, na temperaturama ispod 900 °C, grafen se jedva rastao. Nasuprot tome, na 1050 °C i iznad, rast grafena postao je previše agresivan prema nastajanju grafita (Dodatna slika  ). Značajno, temperatura rasta od 1000 °C je niža od onih (1100–1400 °C) koje se obično koriste za rast grafena na bazi CVD-a koristeći Si i SiO2 podloge bez metalnih katalizatora , , . Ključna uloga okoliša rasta razjašnjena je kontrolnim eksperimentom (Dodatna slika  ); slijedeći konvencionalne CVD procese koristeći metalne katalizatore, CH4 i H2 su dovedeni u volumenskom omjeru protoka 3:7 pri 1000 °C. Budući da je raspad CH4 bio otežan velikom količinom H2, rast grafena bio je doista vrlo spor, otkrivajući važnost isključive upotrebe CH4 za učinkovit rast grafena u našem protokolu sinteze. Sveukupno, izbor reaktanata i temperature reakcije u trenutnoj shemi reakcije razlikuje se od prethodnih pandana na bazi CVD-a koji koriste metalne katalizatore i igra ključnu ulogu u proizvodnji sklopa grafena-SiO   s 3D hijerarhijskom strukturom. 1 20 21 22 2 x Niz skenirajućih elektronskih mikroskopa (SEM) (Dodatna slika  ) i transmisijskih elektronskih mikroskopa (TEM) analiza (Slika  ) provedenih tijekom CVD procesa odražavaju promjene u rastu i morfologiji grafena. Nakon 5 minuta CVD procesa, nejasno se promatrao film grafena debljine 2–3 sloja duž površine SiO2 (Slika  , e), s bojom praha koja je postala crna (Dodatna slika  ). Rast grafena postao je izraženiji nakon 30 minuta CVD procesa, gdje je 3D struktura listića bila jasno vidljiva (Slika  , f). Slika TEM-a visokog povećanja (Slika  ) bilježi heksagonalne atomske rasporede u dijelu grafena, koji odražavaju njegov bazni plan. Nakon 30 minuta, također je primijećeno da su se prosječne veličine SiO2 nan čestica smanjile s 28,2 na 15,3 nm (Dodatna slika  ). To se dogodilo jer rast grafena uključuje prethodno spomenutu redukciju SiO2 i naknadno nastajanje OH−. Stoga, cjelokupni rast grafena prilično je analogan širenju kokica u 3D volumenskoj strukturi, proizvedenoj nauštrb originalnih jezgri (Slika  ). 3a–f 1a–g 1b 3g 1c 1g 4 1h   Rast grafena iz SiO2 nan čestica.  –  TEM karakterizacija   prije CVD rasta,   nakon 5 min rasta i   nakon 30 min rasta (mjerna traka, 50 nm).  –  Njihove odgovarajuće uvećane slike (mjerna traka, 10 nm).   Slika višestrukog povećanja grafena nakon 30 min rasta i njegov pogled na atomskoj razini iz bijelog okvira (umetnuti) (mjerna traka, 2 nm).   Grafička ilustracija rasta grafena nalik kokicama iz SiO2 nan čestica a c a b c d f g h Rast grafena dodatno je objašnjen nizom dodatnih analiza. Rentgenska difrakcijska (XRD) ispitivanja dobivena tijekom rasta pokazuju da se s napredovanjem CVD procesa, vrhovi pri 2  = 26,44° i 44°, koji odgovaraju ravnima (002) i (101) grafita, kontinuirano povećavaju (Slika  ), ponovno podupirući nastajanje grafitnog ugljika , , . Rast grafena također je bio vidljiv u vrhovima na 284,5 i 291,5 eV u C 1s grani analize rendgenske sferne spektroskopije (XPS) (Slika  ) , . Vrh na 284,5 eV dodijeljen je C–C i C = C vezama, koje su se istaknuto pojavile nakon 30 minuta rasta zbog nastajanja grafitnog ugljika. Progresivni XPS vrhovi u Si 1s grani XPS analize (Slika  ) ponovno potvrđuju  redukciju SiO2 tijekom CVD procesa. S povećanjem vremena rasta, vrh blizu 103 eV pomaknuo se prema nižim energijama vezanja zbog smanjenog oksidacijskog stanja Si. Na temelju prisutnosti i intenziteta signala ugljika u EDX mapiranju (Slika  ), utvrđeno je da se čak i nakon 5 minuta, rast grafena doista odvijao duž površine SiO   , i nakon 30 minuta, rast se proširio preko cijelog područja slike, dok su Si i O ostali homogeno raspoređeni. Težinski dio grafena, te rezultati Raman analize, specifične površine i vodljivosti GB-a pri različitim vremenima CVD rasta sažeti su u Tablici  . Što se tiče specifične površine, njezino smanjenje s povećanjem vremena reakcije pripisuje se progresivnoj grafitizaciji tijekom koje se grafenski slojevi spajaju i slažu. Detaljni spektri Raman i termogravimetrijskih (TG) analiza predstavljeni su u Dodatnoj slici  . θ 2a 23 24 25 2b 22 23 2c 25 2d–g x 1 5   Analiza grafenskih kuglica tijekom rasta.  –  Praćenje rasta grafena tijekom CVD procesa pomoću   XRD,   XPS u C 1s grani i   XPS Si 2p granom.  –  EDX elementarno mapiranje u odnosu na C, O i Si nakon  ,   5 minuta i  ,   30 minuta rasta grafena iz SiO2 (mjerna traka, 50 nm) a c a b c d g d e f g Premazivanje grafenskih kuglica na niklom bogati katodni materijal Zbog svoje slojevite morfologije debljine atoma, grafen se smatra jednim od najidealnijih materijala za površinsko zaštitno premazivanje slojevitih katodnih materijala visokog kapaciteta. Međutim, u slučaju dobro poznatih procesa u otopini , , ,  temeljenih na Hummerovoj metodi, postizanje ravnomjernog premaza s ograničenim sadržajem grafena nije jednostavno zbog aglomeracije, koja proizlazi iz snažne elektrostaticke interakcije između grafenskih listića. U nastojanju da se prevlada problem aglomeracije, uveden je drugačiji pristup, kao što je drobljenje grafita pomoću procesa mljevenja kuglica . Međutim, ovaj proces je obično spor (>6 h) i, što je kritičnije, može oštetiti kristalnost matičnog materijala. Također treba napomenuti da premaz amorfnom ugljikom pomoću CVD procesa nije primjenjiv na Ni-bogate oksidne materijale ,  jer CVD procesi izvlače prijelazne metale (TM), narušavajući izvornu kristalnu strukturu matičnog materijala. 26 27 28 29 30 31 32 Nasuprot tome, sintetizirane GB u ovoj studiji mogu se premazati na površinu komercijalnog praška LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 (veličina = ~10 µm) s minimalnim sadržajem od 1 wt% putem blagog Nobilta procesa mljevenja. Proces premazivanja je također prilično brz (~10 min pri 3000 okretaja u minuti). SiO   sjemenke igraju ključnu ulogu u omogućavanju ovog ravnomjernog premazivanja pri niskim težinskim sadržajima. SiO   sjemenke čine 57,5 wt% GB-a (rezultat TG u Dodatnoj slici  ) i u procesu premazivanja, njihova prisutnost omogućuje GB-u da primijeni smicanje na površinu LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2, proizvodeći izravnu interakciju i čak prodiranje. Kako bi se potvrdio ovaj fenomen, proveden je isti proces premazivanja sa smjesom 0,5 wt% SiO2 i 0,5 wt% grafena. Ovaj uzorak je pretrpio kristalna oštećenja na površinskoj regiji NCM-a zbog agresivnih sudara između čestica LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 kao i između čestica LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 i stijenke reaktora (Dodatna slika  ). Ovi fenomeni su pojačani aglomeracijom grafena koja se dogodila u odsutnosti 3D hijerarhijskih struktura koje sadrže središta nan čestica SiO   . x x 5b 6 x Ravnomjerno premazivanje GB-a potvrđeno je SEM i TEM analizama. Nadalje, LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 prije i nakon premaza GB-om označava se kao izvorni NCM i GB-NCM, odnosno. SEM slike niskog povećanja NCM-a prije i nakon premaza GB-om (Slika  , Dodatna slika  ) pokazale su vrlo slične morfologije zbog ravnomjerne raspodjele niskog sadržaja GB-a. Međutim, SEM slika višestrukog povećanja GB-NCM pokazuje da GB prodire u prostore između primarnih čestica NCM-a (Slika  ). Prodiranje GB-a jasnije je uočeno na TEM slikama (Slika  , f). Na slici  , grafenski listić je uočen u otvorenom prostoru iznad NCM čestice (vidi crvene isprekidane linije). Neki grafenski listići bili su poravnati duž površine NCM-a i prikazivali su dosljedan međuslojni razmak od 3,3 ili 3,4 Å (Slika  ). 3a, b 6a, b 3d 3e 3e 3f   Premazivanje GB-a na LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2. SEM slike LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2  ,   prije (mjerna traka, 2 µm i 200 nm, odnosno) i  ,   nakon GB premaza (mjerna traka, 2 µm i 200 nm, odnosno).  ,   TEM slike grafenskih listića ( a c b d e f

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

Ovaj zvuk je proizveden na izvornom jeziku priče!

Brže punjenje, dulji vijek trajanja: Trikovi grafena za nadogradnju litijevih baterija

About Author

KOMENTARI

VIJESI OZNAKE

OVAJ ČLANAK JE PREDSTAVLJEN U

Related Stories

Light-Mode

Classic

Newspaper

Minty

Dark-Mode

Neon Noir

Minty

HN StartUps