
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Szerzők: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 In Hyuk Son Jong Hwan Park Seongyong Park Kwangjin Park Sangil Han Jaeho Shin Seok-Gwang Doo Yunil Hwang Hyuk Chang Jang Wook Choi Összefoglalás Egy tulajdonság javítása mások feláldozása nélkül kihívást jelent a lítium-ion akkumulátorok esetében a kulcsparaméterek közötti kompromisszumos jelleg miatt. Itt egy kémiai gőzleválasztási eljárást ismertetünk egy grafén–szilika（graphene–silica）összeállítás, úgynevezett grafénlabda（graphene ball）növesztésére. Hierarchikus háromdimenziós szerkezete szilícium-oxid（silicon oxide）nanopartikel középponttal lehetővé teszi, hogy még 1 tömeg% grafénlabda is egyenletesen bevonható legyen egy nikkelben gazdag, réteges katódra a skálázható Nobilta malommal történő őrléssel. A grafénlabda（graphene ball）bevonat javítja a ciklusélettartamot és a gyorstöltési képességet a káros mellékreakciók gátlásával és hatékony vezetőképes utak biztosításával. Maga a grafénlabda（graphene ball）anódanyagként is szolgál, nagy, 716,2 mAh g−1 fajlagos kapacitással. Egy grafénlabdákat（graphene balls）tartalmazó teljes cella 27,6%-kal növeli a térfogati energiasűrűséget egy kontroll cellához képest grafénlabdák（graphene balls）nélkül, ami 800 Wh L−1 elérésének lehetőségét mutatja kereskedelmi cella környezetben, valamint magas, 78,6%-os kapacitásmegtartást 500 ciklus után 5C és 60 °C mellett. Bevezetés A lítium-ion akkumulátorok (LIB-ek) folyamatos fejlesztése figyelemre méltó javulást eredményezett működésük különböző aspektusaiban, beleértve az energiasűrűséget, a teljesítménysűrűséget, a ciklusélettartamot és a biztonságot. Jelenleg a mobil informatikai eszközök teszik ki a LIB-alkalmazások jelentős részét, ahol a jelenlegi legfejlettebb LIB-ek működési specifikációi többnyire kielégítőek , , . Az elektromos járművek (EV-k) azonban, ahogy behatoltak a LIB-piacokra, kulcsfontosságú elektrokémiai tulajdonságaik nagyobb kihívást jelentő szabványokat támasztottak; míg a nagyobb hatótávolság érdekében nagyobb energiasűrűségre van szükség, addig a gyorstöltés és a nagy sebességű működés érdekében fokozott reakciós kinetikát igényelnek. A biztonság mindenképpen kritikus tényező az EV-alkalmazások esetében is. Komoly kihívást jelent e kulcsfontosságú tulajdonságok közötti kompromisszum leküzdése; általában nem triviális egy tulajdonságot javítani mások feláldozása nélkül. 1 2 3 Ez a kompromisszumos viszony különösen nyilvánvaló az energiasűrűség és a gyorstöltés (vagy teljesítményszint) között. Míg a nanomateriálok aktív komponensként való használata , és a szén nanonmatériálok beépítése , , vezető anyagként javította a töltési sebességet az ion diffúziós távolság és a belső ellenállás csökkentésével, e megközelítések többsége még további fejlesztést igényel, mielőtt bevezethető lenne a jelenlegi LIB technológiába. A nanomateriálok tapadósűrűsége jóval alacsonyabb, mint a hagyományos mikroszkopikus részecskéké, ami káros a térfogati energiasűrűségre, ami sok LIB alkalmazásnál fontosabb tényező, mint a gravimetrikus párja. Hasonló kontextusban, a belső ellenállás csökkentése felé haladva, a szén nanonmatériálok, mint például a grafén integrálása hatékonynak bizonyult a laboratóriumi elektródok elektromos vezetőképességének növelésében. Azonban a kis súlytartalmú (pl. <3 tömeg%) szén nanonmatériálok egyenletes elosztásának elérése nagy méretű szuszpenziós eljárásban még nem bizonyított. A meglévő aktív anyagok módosítása idegen elemekkel való dópolással , vagy sztöchiometriai szabályozással , , szintén növelheti a Li ionok diffúziós sebességét, és ezáltal a hagyományos, mikrométeres méretű aktív anyagok töltési sebességét. Ezen megközelítések többsége azonban a fajlagos kapacitás rovására hatékony. 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Továbbá, az energiasűrűség és a gyorstöltés mellett, a hosszú ciklusélettartam elérése, különösen magas hőmérsékleten (pl. 60 °C), továbbra is kihívást jelent a fejlett LIB-ek esetében, amelyek nagy kapacitású elektródanyagokat tartalmaznak. Míg a nikkelben (Ni) gazdag és lítiumban gazdag réteges oxid anyagokat a klasszikus LiCoO2-val szembeni kiváló fajlagos kapacitásuk miatt a következő generációs katódanyagokként tartják számon, jól ismert, hogy az elkerülhetetlen kationkeveredés a töltés során lebontja a réteges keretet spinel vagy kősó szerkezetűvé, valamint nem kívánt mellékreakciókkal az elektród felületén. A eddig elvégzett erőfeszítéseket figyelembe véve, az egyik legvalósághűbb megoldás a gyorstöltés azonnali elérésére az energiasűrűség és a ciklusélettartam elhanyagolható veszteségével, olyan vezető védőanyagok megtalálása, amelyek minimális tartalommal egyenletesen bevonhatók az aktív anyagokra. Fejlett anódanyagok megtalálása is elengedhetetlen, mivel a jelenlegi grafit anódok Li-fém lerakódással szenvednek nagy sebességű töltés esetén. Ebben a tekintetben a grafén–szilika (SiO ) összeállítás, amelyet grafénlabdának (GB) nevezünk, bevonóanyagként szolgál a nagy kapacitású, nikkelben gazdag réteges katódanyagokhoz, valamint LIB anódanyagként is. Minden GB egy SiO  nanopartikel középpontból és körülötte lévő grafénrétegekből áll, amelyek háromdimenziós (3D) pattogatott kukorica-szerű szerkezetet alkotnak. Az SiO  nanorészecskék több szempontból is kulcsszerepet játszanak, például elkerülik a szilícium-karbid (SiC) réteg képződését a SiO –grafén interfészen a grafén növekedése során, biztosítják a GB egyenletes bevonását a katódanyagra, és nagy fajlagos kapacitást biztosítanak, amikor a GB-t anódanyagként használják. A GB egyenletes bevonása a nikkelben gazdag réteges katódon javítja az interfészes stabilitást az elektrolittal és az elektród elektronos vezetőképességét, jelentősen javítva a katód ciklusállóságát és gyorstöltési képességét. Kihasználva a GB egyedi előnyeit, a GB-val bevont katódot és GB anódot tartalmazó teljes cella a térfogati energiasűrűség lehetőségét mutatja közel 800 Wh L−1 kereskedelmi cella körülmények között, együtt a 78,6%-os kapacitásmegtartással 500 ciklus után 5C és 60 °C mellett. x x x x Eredmények Grafénlabda（graphene ball）szintézise A pattogatott kukorica-szerű GB szintéziséhez kifejlesztettünk egy kémiai gőzleválasztási (CVD) eljárást a grafén növekedéséhez. CH4 gázt tápláltunk egy kemencébe SiO2 nanorészecskék jelenlétében, amelyek átmérője 20–30 nm volt 1000 °C-on. Ezen a hőmérsékleten a CH4 bomlik és hidrogénatomokat generál, amelyek ezt követően redukálhatják a SiO2-t SiO -ké (  < 2). Az OH− is egyidejűleg termelődik a következő reakció révén: x x Ebben a reakcióban a kulcsfontosságú elem az, hogy a keletkező SiO  katalitikus helyeket biztosít a grafén növekedéséhez, és az OH− enyhe oxidálószerként szolgál, amely elősegíti a grafitos szén képződését a grafén felé , . Az enyhe oxidálószerek szerepét a grafitos szénképződésben nemrég racionalizálták azzal, hogy enyhe oxidálószer nélkül az amorf szénképződés dominánsabb. Azonban enyhe oxidálószer jelenlétében felfedezték, hogy a CO vagy CO2 képződés irányába mutató reakció előnyösebb a szénatomok számára, amelyek egyébként amorf szénné alakultak volna. Valójában ismert, hogy a fém katalizátorok használatával történő grafén növekedés hasonló módon történik , , , ahol a fém felületén maradó oxigén előnyös reakciót eredményez a grafitos szénképződés irányába. Enyhe oxidálószer jelenléte megakadályozza a szilícium-karbid (SiC) réteg képződését a SiO  felületén, mert az oxidálószer megakadályozza a Si redukcióját SiC képződés irányába . x 14 15 16 17 18 19 x 19 A kizárólag CH4-et használó reakciósémánkban 900 °C alatt a grafén alig nőtt. Ezzel szemben 1050 °C felett a grafén növekedése túl agresszívvé vált a grafit képződés irányába (Suppl. ábra ). Érdemes megjegyezni, hogy a 1000 °C-os növekedési hőmérséklet alacsonyabb, mint azok (1100–1400 °C), amelyeket általában CVD-alapú grafénnövekedéshez használnak Si és SiO2 szubsztrátokon fém katalizátorok nélkül , , . A növekedési környezet kritikus szerepét egy kontroll kísérlet (Suppl. ábra ) tisztázta; a hagyományos CVD eljárásokat követve fém katalizátorokkal, CH4 és H2 (3:7) térfogatarányú áramlással tápláltuk 1000 °C-on. Mivel a CH4 bomlását a nagy mennyiségű H2 gátolta, a grafén növekedése valóban nagyon lassú volt, ami megmutatta a kizárólagos CH4 használatának fontosságát a hatékony grafén növekedésben a mi szintézis protokollunkban. Összességében, a reagensek és a reakcióhőmérséklet megválasztása a jelenlegi reakciósémában eltér a korábbi, fém katalizátorokat használó CVD-alapú eljárásoktól, és kulcsszerepet játszik a 3D hierarchikus szerkezettel rendelkező grafén–SiO  összeállítás előállításában. 1 20 21 22 2 x A CVD folyamat során végzett pásztázó elektronmikroszkópos (SEM) (Suppl. ábra ) és transzmissziós elektronmikroszkópos (TEM) analízisek (1. ábra ) sorozata tükrözi a grafén növekedésének és morfológiájának változásait. 5 perc CVD eljárás után, egy 2–3 réteg vastag grafén film volt halványan megfigyelhető a SiO2 felületén (1. ábra , e), miközben a por színe feketére változott (Suppl. ábra ). A grafén növekedése erőteljesebbé vált 30 perc CVD eljárás után, ahol a 3D lemez morfológia egyértelműen látható volt (1. ábra , f). A nagy nagyítású TEM kép (1. ábra ) megörökíti a grafén egy szakaszának hatszögletű atomszerkezetét, amely az alaplapját tükrözi. 30 perc elteltével megfigyelték azt is, hogy a SiO2 nanorészecskék mérete átlagosan 28,2-ről 15,3 nm-re csökkent (Suppl. ábra ). Ez azért történt, mert a grafén növekedése magában foglalta a fent említett SiO2 redukciót és az azt követő OH− képződést. Ezért az általános grafén növekedés meglehetősen analóg a pattogatott kukorica terjedéséhez a 3D terjedelmes szerkezetben, az eredeti magok rovására előállítva (1. ábra ). 3a–f a–g b 3g c g 4 h   Grafén növekedés SiO2 nanorészecskékből.  –  TEM karakterizáció   CVD növekedés előtt,   5 perc növekedés után, és   30 perc növekedés után (méretarány, 50 nm).  –  Megfelelő nagyított képeik (méretarány, 10 nm).   Nagyobb nagyítású kép a grafénről 30 perc növekedés után és annak atomszintű nézete a fehér négyzetből (betét) (méretarány, 2 nm).   Grafikus illusztráció a pattogatott kukorica-szerű grafén növekedéséről SiO2 nanorészecskékből. a c a b c d f g h A grafén növekedését további elemzések sorozata világította meg. A növekedés során nyert röntgendiffrakciós (XRD) spektrumok azt jelzik, hogy a CVD folyamat előrehaladtával a 2  = 26,44° és 44° csúcsok, amelyek a grafit (002) és (101) síkjainak felelnek meg, folyamatosan növekedtek (2. ábra ), ami ismét alátámasztja a grafitos szén képződését , , . A grafén növekedése a C 1s ág XPS (röntgen fotoelektron spektroszkópia) analízisében a 284,5 és 291,5 eV-os csúcsokban is megmutatkozott (2. ábra ) , . A 284,5 eV-os csúcs C–C és C=C kötődéseknek tulajdonítható, amelyek a grafitos szénképződés miatt a 30 perc növekedés után jelentek meg. Az XPS analízis Si 1s ágában a progresszív XPS csúcsok (2. ábra ) megerősítik a SiO2 redukcióját a CVD folyamat során. A növekedési idő növekedésével a 103 eV körüli csúcs alacsonyabb kötési energiák felé tolódott el a Si csökkent oxidációs állapota miatt. Az energiadiszperzív röntgen (EDX) térképezés (2. ábra ) szénjelének jelenléte és intenzitása alapján megállapították, hogy már 5 perc elteltével a SiO  felületén valóban zajlott grafén növekedés, és 30 perc után a növekedés az egész képterületre kiterjedt, míg a Si és O homogénen eloszlott maradt. A grafén súlyhányada, valamint a különböző CVD növekedési idejű GB-k Raman analízisének, specifikus felületének és vezetőképességének eredményei az 1. táblázatban（Table  ）összefoglalottak. Ami a specifikus felületet illeti, a reakcióidő növekedésével történő csökkenése a progresszív grafitizációnak tulajdonítható, amely során a grafénrétegek összeolvadnak és egymásra rakódnak. Részletes Raman és termogravimetriás (TG) analízis spektrumok a Suppl. ábrán（Supplementary Fig.  ）találhatók. θ a 23 24 25 b 22 23 c 25 d–g x 1 5   Grafénlabda（graphene ball）analízise a növekedés során.  –  Grafén növekedésének monitorozása a CVD folyamat során   XRD,   XPS C 1s ágban, és   XPS Si 2p ágban.  –  EDX elemi térképezés C, O és Si tekintetében  ,  5 perc és  ,  30 perc grafén növekedés után SiO2-ből (méretarány, 50 nm). a c a b c d g d e f g Grafénlabda（graphene ball）bevonása nikkelben gazdag katódanyagra Atomvastagságú lemezszerű morfológiája miatt a grafént az egyik legideálisabb anyagnak tartották a nagy kapacitású réteges katódanyagok felületi védő bevonására. Azonban a jól ismert oldatalapú eljárások esetében , , , a Hummer módszerén alapuló, a grafén korlátozott tartalmú egyenletes bevonása nem triviális az agglomeráció miatt, amely a grafén lemezek közötti erős elektrosztatikus kölcsönhatásból adódik. Az agglomeráció problémájának leküzdése érdekében egy más megközelítést, mint például a grafit összetörése golyósmalmos eljárással, vezettek be . Azonban ez az eljárás általában lassú (> 6 óra) és, ami még kritikusabb, károsíthatja a hordozóanyag kristályosságát. Azt is meg kell jegyezni, hogy az amorf szén bevonás CVD eljárásokkal nem alkalmazható nikkelben gazdag oxid anyagokra , , mivel a CVD eljárások kivonják az átmeneti fémeket (TM-eket), megzavarva a hordozóanyag eredeti kristályszerkezetét. 26 27 28 29 30 31 32 Ezzel szemben a tanulmányban szintézisélt GB a kereskedelmi LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 por (méret = ~10 µm) felületére minimális, 1 tömeg% tartalommal, enyhe Nobilta malommal történő őrléssel bevonható. A bevonási folyamat is meglehetősen gyors (~10 perc 3000 fordulat/perc sebességnél). Az SiO  magok kulcsszerepet játszanak ebben az egyenletes, kis tömegtartalmú bevonatban. Az SiO  magok a GB 57,5 tömeg%-át teszik ki (TG eredmény a Suppl. ábrán ), és a bevonási folyamat során jelenlétük lehetővé teszi, hogy a GB nyíróerőt gyakoroljon a LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 felületére, szoros kölcsönhatást és akár behatolást is eredményezve. Ennek a jelenségnek a megerősítésére, ugyanezt a bevonási folyamatot végeztük 0,5 tömeg% SiO2 és 0,5 tömeg% grafén fizikai keverékével. Ez a minta kristályos sérülést szenvedett a NCM felületi régiójában a LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 részecskék közötti, valamint a LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 részecskék és a reaktorfal közötti agresszív ütközések miatt (Suppl. ábra ). Ezeket a jelenségeket felerősítette a grafén agglomerációja, amely az SiO  részecskeközpontokat tartalmazó 3D hierarchikus szerkezetek hiányában történt. x x 5b 6 x A GB egyenletes bevonását SEM és TEM analízisek erősítették meg. A továbbiakban a GB bevonás előtti és utáni LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2-t érintetlen NCM-nek és GB-NCM-nek nevezzük. Az NCM alacsony nagyítású SEM képei GB bevonás előtt és után (3. ábra , Suppl. ábra ) nagyon hasonló morfológiákat mutattak az alacsony tartalmú GB egyenletes eloszlása miatt. Azonban a GB-NCM egy nagyobb nagyítású SEM képe azt mutatja, hogy a GB behatolt az NCM elsődleges részecskéi közötti térbe (3. ábra ). A GB behatolása világosabban volt megfigyelhető TEM képeken (3. ábra , f). A 3. ábra -ban egy grafén lemez volt megfigyelhető egy NCM részecske feletti nyílt térben (lásd piros pontozott vonalak). Néhány grafén lemez az NCM felülete mentén rendeződött, és 3,3 vagy 3,4 Å következetes rétegközi távolságot mutatott (3. ábra a, b 6a, b d e e

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

Ez a hanganyag a történet eredeti nyelvén készült!

Gyorsabb töltés, hosszabb élettartam: A grafén trükk, ami fejleszti a lítium akkumulátorokat

About Author

HOZZÁSZÓLÁSOK

HANG TAGOK

EZT A CIKKET BEMUTATTA

Related Stories

THE HABITS OF INSECTS IN RELATION TO THE FERTILISATION OF FLOWERS

A SECOND ENIGMA

Of The First and Last Things: Part 3

Hubble Protocol, a DeFi project on Solana Raises $10 Million Led By Crypto.com Capital, DCG and CMS

THE HABITS OF INSECTS IN RELATION TO THE FERTILISATION OF FLOWERS

A SECOND ENIGMA

Of The First and Last Things: Part 3

Hubble Protocol, a DeFi project on Solana Raises $10 Million Led By Crypto.com Capital, DCG and CMS

Light-Mode

Classic

Newspaper

Minty

Dark-Mode

Neon Noir

Minty

HN StartUps