
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Penulis: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 In Hyuk Son Jong Hwan Park Seongyong Park Kwangjin Park Sangil Han Jaeho Shin Seok-Gwang Doo Yunil Hwang Hyuk Chang Jang Wook Choi Abstrak Meningkatkan satu properti tanpa mengorbankan properti lain merupakan tantangan bagi baterai lithium-ion karena sifat trade-off di antara parameter-parameter kunci. Di sini kami melaporkan proses deposisi uap kimia untuk menumbuhkan rakitan graphene–silika, yang disebut bola graphene. Struktur tiga dimensi hierarkisnya dengan pusat nanopartikel silikon oksida memungkinkan bahkan 1% berat bola graphene dilapisi secara seragam pada katoda berlapis kaya nikel melalui penggilingan Nobilta yang dapat diskalakan. Pelapisan bola graphene meningkatkan masa pakai siklus dan kemampuan pengisian daya cepat dengan menekan reaksi samping yang merusak dan menyediakan jalur konduktif yang efisien. Bola graphene itu sendiri juga berfungsi sebagai material anoda dengan kapasitas spesifik tinggi sebesar 716,2 mAh g−1. Sel penuh yang menggabungkan bola graphene meningkatkan kepadatan energi volumetrik sebesar 27,6% dibandingkan dengan sel kontrol tanpa bola graphene, menunjukkan kemungkinan mencapai 800 Wh L−1 dalam pengaturan sel komersial, bersama dengan siklusabilitas tinggi sebesar 78,6% retensi kapasitas setelah 500 siklus pada 5C dan 60 °C. Pendahuluan Perkembangan baterai lithium-ion (LIB) yang berkelanjutan telah menghasilkan peningkatan yang luar biasa dalam berbagai aspek operasinya, termasuk kepadatan energi, kepadatan daya, masa pakai siklus, dan keamanan. Saat ini, perangkat IT seluler menyumbang sebagian besar aplikasi LIB, di mana spesifikasi operasional LIB canggih saat ini sebagian besar memuaskan , , . Namun, seiring dengan penetrasi kendaraan listrik (EV) ke pasar LIB, sifat elektrokimia utama telah memaksakan standar yang lebih menantang; kepadatan energi yang lebih tinggi diinginkan untuk jarak tempuh mengemudi yang meningkat, kinetika reaksi yang ditingkatkan dituntut untuk pengisian daya cepat dan operasi laju tinggi. Keamanan juga jelas merupakan faktor penting untuk aplikasi EV. Tantangan yang sangat besar terletak pada mengatasi hubungan trade-off di antara sifat-sifat kunci ini; biasanya tidak mudah untuk meningkatkan satu properti tanpa mengorbankan yang lain. 1 2 3 Hubungan trade-off tersebut sangat jelas antara kepadatan energi dan pengisian daya cepat (atau kemampuan daya). Sementara penggunaan nanomaterial sebagai komponen aktif ,  dan penggabungan nanomaterial karbon , ,  sebagai agen konduktif telah menunjukkan tingkat pengisian yang lebih baik dengan mengurangi jarak difusi ion dan resistansi internal, sebagian besar pendekatan tersebut masih memerlukan peningkatan lebih lanjut sebelum dapat diterapkan dalam teknologi LIB saat ini. Kepadatan ketukan nanomaterial jauh lebih rendah daripada partikel mikro konvensional, yang merugikan kepadatan energi volumetrik, faktor penting untuk banyak aplikasi LIB daripada padanannya yang gravimetrik. Dalam konteks serupa menuju pengurangan resistansi internal, penggabungan nanomaterial karbon seperti graphene telah terbukti efektif dalam meningkatkan konduktivitas listrik elektroda skala lab. Namun, pencapaian distribusi seragam dari kandungan berat kecil (yaitu, <3% berat) nanomaterial karbon dalam proses bubur skala besar belum terbukti. Modifikasi material aktif yang ada dengan doping unsur asing ,  atau kontrol stoikiometri , ,  juga dapat meningkatkan difusivitas ion Li dan dengan demikian tingkat pengisian material aktif konvensional dengan dimensi mikrometer. Sebagian besar pendekatan tersebut, bagaimanapun, efektif dengan mengorbankan kapasitas spesifik. 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Selain itu, selain kepadatan energi dan pengisian daya cepat, mencapai masa pakai siklus yang lama, terutama pada suhu tinggi (yaitu, 60 °C), masih menjadi tantangan bagi LIB canggih yang menggabungkan material elektroda berkapasitas tinggi. Sementara material oksida berlapis kaya Ni (Ni) dan kaya Li dianggap sebagai material katoda yang akan datang karena kapasitas spesifiknya yang unggul dibandingkan dengan padanannya LiCoO2 klasik, diketahui bahwa pencampuran kation yang tak terhindarkan selama pengisian daya merusak kerangka berlapis menjadi struktur spinel atau rock-salt, bersama dengan reaksi samping yang tidak diinginkan di permukaan elektroda. Mempertimbangkan upaya yang telah dilakukan sejauh ini, salah satu solusi paling realistis untuk segera mencapai pengisian daya cepat material katoda dengan kehilangan minimal dalam kepadatan energi dan masa pakai siklus melibatkan pencarian material pelindung konduktif yang dapat dilapisi secara seragam pada material aktif dengan kandungan minimal. Menemukan material anoda canggih juga penting karena anoda grafit saat ini menderita deposisi logam Li selama pengisian laju tinggi. Di sini kami melaporkan rakitan graphene–silika (SiO ), yang disebut bola graphene (GB), sebagai bahan pelapis untuk material katoda berlapis kaya nikel berkapasitas tinggi serta material anoda LIB. Setiap GB terdiri dari pusat nanopartikel SiO  dan lapisan graphene di sekitarnya, membentuk struktur tiga dimensi (3D) seperti popcorn. Nanopartikel SiO  memainkan peran penting dalam berbagai aspek, seperti menghindari pembentukan lapisan silikon karbida (SiC) pada antarmuka SiO  –graphene selama pertumbuhan graphene, memastikan pelapisan GB yang seragam pada material katoda, dan menyediakan kapasitas spesifik tinggi ketika GB digunakan sebagai material anoda. Pelapisan GB yang seragam pada katoda berlapis kaya nikel meningkatkan stabilitas antarmuka dengan elektrolit dan konduktivitas elektronik di seluruh elektroda, secara substansial meningkatkan siklusabilitas dan kemampuan pengisian daya cepat katoda. Mengambil keuntungan unik GB, sel penuh yang terdiri dari katoda berlapis GB dan anoda GB menunjukkan kemungkinan kepadatan energi volumetrik mendekati 800 Wh L−1 dalam kondisi sel komersial, bersama dengan retensi kapasitas 78,6% setelah 500 siklus pada 5C dan 60 °C. x x x x Hasil Sintesis bola graphene Untuk mensintesis GB seperti popcorn, kami mengembangkan proses deposisi uap kimia (CVD) untuk pertumbuhan graphene. Gas CH4 dialirkan ke dalam tungku dengan adanya nanopartikel SiO2 dengan diameter 20–30 nm pada suhu 1000 °C. Pada suhu ini, CH4 terurai menghasilkan atom hidrogen, yang selanjutnya dapat mereduksi SiO2 menjadi SiO  (⁡  < 2). OH− juga diproduksi secara bersamaan melalui reaksi berikut: x x Fitur utama dalam reaksi ini adalah bahwa SiO  yang dihasilkan menyediakan situs katalitik untuk pertumbuhan graphene, dan OH− berfungsi sebagai oksidan ringan untuk memfasilitasi pembentukan karbon grafit menuju graphene , . Peran oksidan ringan pada pembentukan karbon grafit baru-baru ini dirasionalisasi  sedemikian rupa, sehingga tanpa oksidan ringan, pembentukan karbon amorf lebih dominan. Namun, dengan adanya oksidan ringan, ditemukan bahwa reaksi menuju pembentukan CO atau CO2 lebih disukai untuk atom karbon yang sebaliknya akan berevolusi menjadi karbon amorf. Faktanya, pertumbuhan graphene yang mudah menggunakan katalis logam diketahui terjadi dengan cara yang sama , , , di mana oksigen yang tersisa di permukaan logam mengarah pada reaksi yang lebih disukai menuju pembentukan karbon grafit. Kehadiran oksidan ringan mencegah pembentukan lapisan silikon karbida (SiC) di permukaan SiO  karena oksidan mencegah reduksi Si menuju pembentukan SiC . x 14 15 16 17 18 19 x 19 Dalam skema reaksi kami berdasarkan penggunaan CH4 secara eksklusif, pada suhu di bawah 900 °C, graphene hampir tidak tumbuh. Sebaliknya, pada 1050 °C dan di atasnya, pertumbuhan graphene menjadi terlalu agresif menuju pembentukan grafit (Gambar Tambahan  ). Khususnya, suhu pertumbuhan 1000 °C lebih rendah daripada yang biasanya digunakan (1100–1400 °C) untuk pertumbuhan graphene berbasis CVD berdasarkan substrat Si dan SiO2 tanpa katalis logam , , . Peran kritis lingkungan pertumbuhan diklarifikasi oleh eksperimen kontrol (Gambar Tambahan  ); mengikuti proses CVD konvensional menggunakan katalis logam, CH4 dan H2 dialirkan dalam rasio aliran volumetrik 3:7 pada 1000 °C. Karena dekomposisi CH4 terhambat oleh jumlah H2 yang besar, pertumbuhan graphene memang sangat lambat, menunjukkan pentingnya penggunaan CH4 secara eksklusif pada pertumbuhan graphene yang efisien dalam protokol sintesis kami. Secara keseluruhan, pilihan reaktan dan suhu reaksi dalam skema reaksi ini berbeda dari padanannya berbasis CVD sebelumnya yang menggunakan katalis logam dan memainkan peran kunci dalam menghasilkan rakitan graphene–SiO  dengan struktur hierarkis 3D. 1 20 21 22 2 x Serangkaian analisis mikroskop elektron pemindai (SEM) (Gambar Tambahan  ) dan mikroskop elektron transmisi (TEM) (Gambar  ) yang dilakukan selama proses CVD mencerminkan perubahan dalam pertumbuhan dan morfologi graphene. Setelah 5 menit proses CVD, film graphene setebal 2–3 lapis samar-samar diamati di sepanjang permukaan SiO2 (Gambar  , e), dengan warna bubuk berubah menjadi hitam (Gambar Tambahan  ). Pertumbuhan graphene menjadi lebih menonjol setelah 30 menit proses CVD, di mana morfologi lembaran 3D terlihat jelas (Gambar  , f). Gambar TEM dengan perbesaran tinggi (Gambar  ) menangkap susunan atom heksagonal di bagian graphene, yang mencerminkan bidang dasarnya. Setelah 30 menit, juga diamati bahwa ukuran nanopartikel SiO2 menurun dari rata-rata 28,2 menjadi 15,3 nm (Gambar Tambahan  ). Ini terjadi karena pertumbuhan graphene melibatkan reduksi SiO2 yang disebutkan di atas dan pembentukan OH− selanjutnya. Oleh karena itu, pertumbuhan graphene secara keseluruhan cukup mirip dengan popcorn yang mengembang dalam struktur besar 3D, diproduksi dengan mengorbankan inti asli (Gambar  ). 3a–f 1a–g 1b 3g 1c 1g 4 1h   Pertumbuhan graphene dari nanopartikel SiO2.  –  Karakterisasi TEM   sebelum pertumbuhan CVD,   setelah 5 menit pertumbuhan, dan   setelah 30 menit pertumbuhan (skala bar, 50 nm).  –  Gambar perbesaran masing-masing (skala bar, 10 nm).   Gambar perbesaran lebih tinggi dari graphene setelah 30 menit pertumbuhan dan tampilan tingkat atomnya dari kotak putih (sisipan) (skala bar, 2 nm).   Ilustrasi grafis pertumbuhan graphene seperti popcorn dari nanopartikel SiO2 a c a b c d f g h Pertumbuhan graphene selanjutnya dijelaskan oleh serangkaian analisis tambahan. Spektrum difraksi sinar-X (XRD) yang diperoleh selama pertumbuhan menunjukkan bahwa seiring perkembangan proses CVD, puncak pada 2⁡? = 26,44° dan 44°, yang sesuai dengan bidang (002) dan (101) grafit, terus tumbuh (Gambar  ), sekali lagi mendukung pembentukan karbon grafit , , . Pertumbuhan graphene juga tercermin dalam puncak pada 284,5 dan 291,5 eV di cabang C 1s dari analisis spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS) (Gambar  ) , . Puncak pada 284,5 eV dikaitkan dengan ikatan C–C dan C=C, yang muncul secara mencolok setelah 30 menit pertumbuhan karena pembentukan karbon grafit. Puncak XPS progresif di cabang Si 1s dari analisis XPS (Gambar  ) mengonfirmasi ulang  reduksi SiO2 selama proses CVD. Dengan meningkatnya waktu pertumbuhan, puncak di dekat 103 eV bergeser ke energi pengikatan yang lebih rendah karena keadaan oksidasi Si yang menurun. Berdasarkan keberadaan dan intensitas sinyal karbon dalam pemetaan energi dispersif X-ray (EDX) (Gambar  ), ditemukan bahwa bahkan setelah 5 menit, pertumbuhan graphene memang terjadi di sepanjang permukaan SiO  , dan setelah 30 menit, pertumbuhan menyebar ke seluruh area gambar, sementara Si dan O tetap terdistribusi secara homogen. Porsi berat graphene, dan hasil analisis Raman, luas permukaan spesifik, dan konduktivitas GB pada waktu pertumbuhan CVD yang berbeda diringkas dalam Tabel  . Untuk luas permukaan spesifik, penurunannya seiring peningkatan waktu reaksi dikaitkan dengan grafitisasi progresif di mana lapisan graphene bergabung dan menumpuk. Analisis Raman dan termogravimetri (TG) yang terperinci disajikan dalam Gambar Tambahan  . 2a 23 24 25 2b 22 23 2c 25 2d–g x 1 5   Analisis bola graphene selama pertumbuhannya.  –  Pemantauan pertumbuhan graphene selama proses CVD menggunakan   XRD,   XPS di cabang C 1s, dan   cabang Si 2p XPS.  –  Pemetaan unsur EDX sehubungan dengan C, O, dan Si setelah  ,   5 menit dan  ,   30 menit pertumbuhan graphene dari SiO2 (skala bar, 50 nm) a c a b c d g d e f g Pelapisan bola graphene pada material katoda kaya nikel Karena morfologi lapisannya yang setebal atom, graphene telah dianggap sebagai salah satu material paling ideal untuk pelapisan pelindung permukaan material katoda berkapasitas tinggi. Namun, dalam kasus proses larutan yang terkenal , , ,  berdasarkan metode Hummer, pencapaian pelapisan seragam dengan kandungan graphene terbatas tidaklah mudah karena aglomerasi, yang timbul dari interaksi elektrostatik yang kuat antara lembaran graphene. Dalam upaya untuk mengatasi masalah aglomerasi, pendekatan yang berbeda, seperti penghancuran grafit menggunakan proses penggilingan bola, telah diperkenalkan . Namun, proses ini biasanya lambat (>6 jam) dan, yang lebih penting, dapat merusak kristalinitas material induk. Perlu juga dicatat bahwa pelapisan karbon amorf oleh proses CVD tidak berlaku untuk bahan oksida kaya nikel ,  karena proses CVD mengekstraksi logam transisi (TM), mengganggu struktur kristal asli material induk. 26 27 28 29 30 31 32 Sebaliknya, GB yang disintesis dalam studi ini dapat dilapisi pada permukaan bubuk LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 komersial (ukuran = ~10 µm) pada kandungan minimal 1% berat melalui proses penggilingan Nobilta yang ringan. Proses pelapisan juga cukup cepat (~10 menit pada 3000 rpm). Benih SiO  memainkan peran penting dalam memungkinkan pelapisan seragam ini pada kandungan berat yang rendah. Benih SiO  menyumbang 57,5% berat GB (hasil TG pada Gambar Tambahan  ) dan dalam proses pelapisan, keberadaan mereka memungkinkan GB untuk memberikan gaya geser ke permukaan LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2, menghasilkan interaksi intim dan bahkan penetrasi. Untuk mengkonfirmasi fenomena ini, proses pelapisan yang sama dilakukan dengan campuran fisik 0,5% berat SiO2 dan 0,5% berat graphene. Sampel ini mengalami kerusakan kristal pada daerah permukaan NCM karena tumbukan agresif antara partikel LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 serta antara partikel LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 dan dinding reaktor (Gambar Tambahan  ). Fenomena ini diperkuat oleh aglomerasi graphene yang terjadi dengan tidak adanya struktur hierarkis 3D yang mengandung pusat partikel SiO . x x 5b 6 x Pelapisan GB yang seragam dikonfirmasi oleh analisis SEM dan TEM. Selanjutnya, LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 sebelum dan sesudah pelapisan GB masing-masing dilambangkan sebagai NCM murni dan GB-NCM. Gambar SEM dengan perbesaran rendah dari NCM sebelum dan sesudah pelapisan GB (Gambar  , Gambar Tambahan  ) menunjukkan morfologi yang sangat mirip karena distribusi seragam GB dengan konten rendah. Namun, gambar SEM dengan perbesaran lebih tinggi dari GB-NCM menunjukkan bahwa GB menembus ruang di antara partikel primer NCM (Gambar  ). Penetrasi GB lebih jelas diamati dalam gambar TEM (Gambar  , f). Dalam Gambar  , lembaran graphene diamati di ruang terbuka di atas partikel NCM (lihat garis putus-putus merah). Beberapa lembaran graphene sejajar di sepanjang permukaan NCM dan menunjukkan jarak antar-lapisan yang konsisten sebesar 3,3 atau 3,4 Å (Gambar  ). 3a, b 6a, b 3d 3e 3e 3f   Pelapisan GB pada LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2. Gambar SEM LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2  ,   sebelum (skala bar, masing-masing 2 µm dan 200 nm) dan  ,   setelah pelapisan GB (skala bar, masing-masing 2 µm dan 200 nm).  ,   Gambar TEM lembaran graphene (skala bar, 5 nm).   Terletak di antara partikel primer LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 dan   dilapisi di sepanjang partikel primer LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2.  ,   Pemetaan unsur EDX LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 sehubungan dengan C dan Si (skala bar, 2 µm).   Sebelum dan   setelah pelapisan GB.   Spektrum Raman dari GB, LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 murni, dan LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 yang dilapisi GB.   Spektrum XPS dari ketiga sampel yang sama di cabang C 1s.   Ilustrasi skematik pelapisan GB pada LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 a c b d e f e f g h g h i j k Pemetaan unsur EDX sebelum dan sesudah pelapisan GB (Gambar  ) juga menunjukkan distribusi seragam GB di seluruh area setiap partikel NCM. Dalam analisis Raman (Gambar  ), NCM murni tidak menunjukkan puncak apa pun, sedangkan pelapisan GB dalam kasus GB-NCM tercermin dalam puncak D, G, dan 2D-nya, yang sebanding dengan GB murni. Demikian pula, pembentukan karbon grafit yang diwakili oleh ikatan C–C dan C=C terdeteksi dalam spektrum C 1s XPS dari GB-NCM (Gambar  ). Puncak satelit pada 291,5 eV juga mendukung pembentukan karbon grafit . Yang penting, bahkan penambahan 1% berat GB meningkatkan konduktivitas bubuk NCM secara signifikan ketika diuji dalam bentuk pelet; NCM murni pelet dan GB-NCM masing-masing menunjukkan nilai konduktivitas 1,13 × 10−3 dan 9,72 × 10−2 S cm−1. Secara keseluruhan, struktur hierarkis unik GB memungkinkan pelapisan seragam pada bubuk NCM berukuran mikrometer pada kandungan minimal (Gambar  ) dan melengkapi konduktivitas NCM yang relatif rendah. 3g, h 3i 3j 23 3k Pengujian Baterai Untuk menguji efek pelapisan GB pada kinerja baterai, baik NCM murni maupun GB-NCM pertama kali diperiksa dalam konfigurasi sel setengah, menggunakan disk logam Li sebagai elektroda lawan dan referensi. Kami pertama-tama membahas kondisi elektroda yang kami gunakan, untuk menekankan kelayakan komersial pendekatan berbasis GB. Dalam katoda LIB komersial saat ini berdasarkan LiCoO2 (misalnya, yang digunakan untuk ponsel pintar), material aktif menempati 96–97% berat elektroda untuk memaksimalkan kepadatan energi volumetrik . Dalam kasus material aktif kaya nikel, karena konduktivitas elektroniknya yang lebih rendah, kandungan ~92% berat saat ini diterima sebagai nilai optimal, dengan agen konduktif dan pengikat masing-masing menyumbang ~4% berat. 3 Dalam kasus kami, dalam upaya untuk mengkompensasi konduktivitas katoda kaya nikel yang relatif rendah dan dengan demikian meningkatkan kandungan material aktif ke tingkat elektroda berbasis LiCoO2, elektroda yang terdiri dari 97% berat material aktif NCM, 0,5% berat super P, 1,0% berat GB, dan 1,5% berat pengikat

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

Audio ini diproduksi dalam bahasa asli cerita!

Pengisian Daya Lebih Cepat, Umur Lebih Panjang: Trik Grafena untuk Meningkatkan Baterai Lithium

About Author

KOMENTAR

HANG TAG

ARTIKEL INI DISAJIKAN PADA

Related Stories

Building an API-Powered Platform

NIGHT (continued)

The Magic Shop

Stocks will be More Profitable than Crypto - Interview With Bryan Applegate

Building an API-Powered Platform

NIGHT (continued)

The Magic Shop

Stocks will be More Profitable than Crypto - Interview With Bryan Applegate

Light-Mode

Classic

Newspaper

Minty

Dark-Mode

Neon Noir

Minty

HN StartUps