```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 Kopsavilkums Vienas īpašības uzlabošana, neapdraudot citas, ir izaicinājums litija jonu baterijām, ņemot vērā galveno parametru kompromisu. Šeit mēs ziņojam par ķīmiskās tvaiku nogulsnēšanās procesu grafēna–silīcija dioksīda (graphene–silica) kompleksa audzēšanai, ko sauc par grafēna bumbu (graphene ball). Tā trīsdimensiju hierarhiskā struktūra ar silīcija oksīda nanodaļiņu centru ļauj pat 1 wt% grafēna bumbas vienmērīgi pārklāt uz niķel̦a bagātīta slāņveida katoda, izmantojot mērogojamu Nobilta frēzēšanas procesu. Grafēna bumbas pārklājums uzlabo cikla ilgumu un ātrās uzlādes spējas, nomācot kaitīgas blakusreakcijas un nodrošinot efektīvas vadošas takas. Pati grafēna bumba arī kalpo kā anoda materiāls ar augstu specifisko ietilpību 716,2 mAh g⁻¹. Pilnas šūnas, kas ietver grafēna bumbas, palielina tilpuma enerģijas blīvumu par 27,6%, salīdzinot ar kontroles šūnu bez grafēna bumbām, parādot iespēju sasniegt 800 Wh L⁻¹ komerciālā šūnu iestatījumā, kā arī augstu ciklu noturību ar 78,6% ietilpības saglabāšanu pēc 500 cikliem pie 5C un 60 °C. Ievads Nepārtraukta litija jonu bateriju (LIB) attīstība ir nodrošinājusi ievērojamus uzlabojumus dažādos to darbības aspektos, tostarp enerģijas blīvumā, jaudas blīvumā, cikla ilgumā un drošībā. Pašlaik mobilās IT ierīces veido ievērojamu daļu no LIB lietojumprogrammām, kur pašreizējo moderno LIB darbības specifikācijas lielākoties ir apmierinošas , , . Tomēr, tā kā elektriskie transportlīdzekļi (EV) ir iekļuvuši LIB tirgos, galvenās elektroķīmiskās īpašības ir izvirzījušas vēl sarežģītākus standartus; lai gan ir vēlami augstāki enerģijas blīvumi, lai palielinātu nobraukto distanci, ir nepieciešama uzlabota reakcijas kinētika ātrai uzlādei un augstas jaudas darbībām. Drošība ir arī noteikti kritisks faktors EV lietojumprogrammām. Ievērojams izaicinājums ir pārvarēt kompromisu starp šīm galvenajām īpašībām; parasti nav triviāli uzlabot vienu īpašību, neapdraudot citas. 1 2 3 Šāda kompromisu attiecība ir īpaši acīmredzama starp enerģijas blīvumu un ātru uzlādi (vai jaudas spēju). Lai gan nanomateriālu izmantošana kā aktīvajiem komponentiem ,  un oglekļa nanomateriālu iekļaušana , ,  kā vadošajiem aģentiem ir demonstrējusi uzlabotus uzlādes ātrumus, samazinot jonu difūzijas attālumu un iekšējo pretestību, lielākā daļa šo pieeju joprojām prasa turpmākus uzlabojumus pirms to var ieviest pašreizējā LIB tehnoloģijā. Nanomateriālu pieskārienu blīvumi ir daudz zemāki nekā parastajām mikronu daļiņām, kas ir kaitīgi tilpuma enerģijas blīvumam, kas daudziem LIB lietojumiem ir svarīgāks faktors nekā gravimetriskais rādītājs. Līdzīgā kontekstā attiecībā uz iekšējās pretestības samazināšanu grafēna kā oglekļa nanomateriāla integrācija ir izrādījusies efektīva laboratorijas mēroga elektrodu elektriskās vadītspējas palielināšanā. Tomēr vienmērīgas izplatīšanas sasniegšana nelielam svara saturam (ti, <3 wt%) oglekļa nanomateriālu lielos mērogos vircas procesā vēl nav pierādīta. Esošo aktīvo materiālu modifikācija, leģējot ar svešķīmi elementiem ,  vai stehiometriskā kontrole , ,  var arī palielināt Li jonu difūzivitāti un tādējādi uzlabot parasto mikrometru izmēra aktīvo materiālu uzlādes ātrumu. Tomēr lielākā daļa šo pieeju ir efektīvas uz specifiskās ietilpības rēķina. 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Turklāt, papildus enerģijas blīvumam un ātrai uzlādei, ilgs cikla mūža sasniegšana, īpaši augstās temperatūrās (ti, 60 °C), joprojām ir izaicinājums progresīvām LIB, kas ietver augstas ietilpības elektrodu materiālus. Kamēr niķeļa (Ni) bagātie un litija (Li) bagātie slāņveida oksīda materiāli tiek uzskatīti par gaidāmajiem katoda materiāliem, pateicoties to izcilajām specifiskajām ietilpībām salīdzinājumā ar klasiskajiem LiCoO₂ līdzvērtīgiem materiāliem, ir labi zināms, ka neizbēgamā katjonu maisīšanās uzlādes laikā degradē slāņveida karkasu uz spineli vai akmeņsāls struktūrām, kopā ar nevēlamiem blakusreakcijām elektrodu virsmā. Ņemot vērā līdz šim veiktos centienus, viens no reālistiskākajiem risinājumiem, lai nekavējoties panāktu katoda materiālu ātru uzlādi ar minimālu enerģijas blīvuma un cikla ilguma zudumu, ietver vadošu aizsargājošu materiālu atrašanu, ko var vienmērīgi pārklāt uz aktīvajiem materiāliem ar minimālu saturu. Ir arī būtiski atrast progresīvus anoda materiālus, jo pašreizējie grafīta anodi uzlādes laikā cieš no Li metāla nogulsnēšanās. Šeit mēs ziņojam par grafēna–silīcija dioksīda (SiOₓ) kompleksu, ko sauc par grafēna bumbu (GB), kā pārklājuma materiālu augstas ietilpības Ni-bagāto slāņveida katoda materiāliem, kā arī kā LIB anoda materiālu. Katra GB sastāv no SiOₓ nanodaļiņu centra un apkārtējiem grafēna slāņiem, veidojot trīsdimensiju (3D) popkornam līdzīgu struktūru. SiOₓ nanodaļiņas spēlē būtisku lomu vairākos aspektos, piemēram, novēršot silīcija karbīda (SiC) slāņa veidošanos uz SiOₓ–grafēna saskarnes grafēna augšanas laikā, nodrošinot GB vienmērīgu pārklāšanu uz katoda materiāla un nodrošinot augstu specifisko ietilpību, kad GB tiek izmantota kā anoda materiāls. GB vienmērīgā pārklāšana uz Ni-bagātā slāņveida katoda uzlabo saskarnes stabilitāti ar elektrolītu un elektronisko vadītspēju visā elektrodā, ievērojami uzlabojot katoda ciklu noturību un ātru uzlādes spēju. Izmantojot unikālās GB priekšrocības, pilna šūna, kas sastāv no GB pārklātā katoda un GB anoda, demonstrē iespēju sasniegt augstu tilpuma enerģijas blīvumu gandrīz 800 Wh L⁻¹ komerciālā šūnu apstākļos, kopā ar 78,6% ietilpības saglabāšanu pēc 500 cikliem pie 5C un 60 °C. Rezultāti Grafēna bumbas sintēze Lai sintezētu popkornam līdzīgo GB, mēs izstrādājām ķīmiskās tvaiku nogulsnēšanās (CVD) procesu grafēna augšanai. CH₄ gāze tika ievadīta krāsnī, klātesot SiO₂ nanodaļiņām ar diametru 20–30 nm pie 1000 °C. Šajā temperatūrā CH₄ tiek sadalīts, radot ūdeņraža atomus, kas pēc tam var reducēt SiO₂ līdz SiOₓ (   < 2). Vienlaicīgi tiek radīts arī OH⁻ atbilstoši šādai reakcijai: x Šīs reakcijas galvenā iezīme ir tā, ka radušais SiOₓ nodrošina katalītiskas vietas grafēna augšanai, un OH⁻ darbojas kā viegls oksidētājs, lai veicinātu grafītiskā oglekļa veidošanos uz grafēnu , . Vieglu oksidētāju loma grafītiskā oglekļa veidošanā nesen tika racionalizēta > tādā veidā, ka bez viegla oksidētāja amorfā oglekļa veidošanās ir dominējošāka. Tomēr viegla oksidētāja klātbūtnē tika atklāts, ka reakcija uz CO vai CO₂ veidošanos ir vēlama oglekļa atomiem, kas citādi pārvērstos par amorfo oglekli. Faktiski grafēna viegla augšana, izmantojot metāla katalizatorus, ir zināma kā līdzīga , , , kur skābeklis, kas paliek uz metāla virsmas, veicina prioritāru reakciju uz grafītiskā oglekļa veidošanos. Viegla oksidētāja klātbūtne novērš silīcija karbīda (SiC) slāņa veidošanos uz SiOₓ virsmas, jo oksidētājs novērš Si reducēšanos līdz SiC veidošanai . 14 15 16 17 18 19 19 Mūsu reakcijas shēmā, kas balstīta uz vienīgo CH₄ izmantošanu, temperatūrās zem 900 °C grafēns gandrīz neauga. Turpretim 1050 °C un augstāk grafēna augšana kļuva pārāk agresīva uz grafīta veidošanos (papildu attēls  ). Jāatzīmē, ka augšanas temperatūra 1000 °C ir zemāka nekā parasti izmantotās (1100–1400 °C) CVD balstītajai grafēna augšanai uz Si un SiO₂ substrātiem bez metāla katalizatoriem , , . Augšanas vides kritisko lomu noskaidroja kontrol eksperiments (papildu attēls  ); sekojot parastajiem CVD procesiem, izmantojot metāla katalizatorus, CH₄ un H₂ tika padoti ar 3:7 tilpuma plūsmas attiecību 1000 °C temperatūrā. Tā kā CH₄ sadalīšanos kavēja liels H₂ daudzums, grafēna augšana bija ļoti lēna, parādot vienīgā CH₄ izmantošanas nozīmi efektīvai grafēna augšanai mūsu sintēzes protokolā. Kopumā reaģentu izvēle un reakcijas temperatūra pašreizējā reakcijas shēmā atšķiras no iepriekšējām CVD balstītajām pieejām, izmantojot metāla katalizatorus, un spēlē galveno lomu, radot grafēna–SiOₓ kompleksu ar 3D hierarhisko struktūru. 1 20 21 22 2 Sērijas skenējošās elektronu mikroskopijas (SEM) (papildu attēls  ) un transmisijas elektronu mikroskopijas (TEM) analīzes (1. attēls a–g), kas veiktas CVD procesa laikā, atspoguļo izmaiņas grafēna augšanā un morfoloģijā. Pēc 5 min CVD procesa gar SiO₂ virsmu bija vāji novērojama 2–3 slāņu bieza grafēna plēve (1. attēls b, e), pulverim kļūstot melnam (papildu attēls  ). Grafēna augšana kļuva izteiktāka pēc 30 min CVD procesa, kur bija skaidri redzama 3D lokšņu morfoloģija (1. attēls c, f). Augstas palielinājuma TEM attēls (1. attēls g) parāda heksagonālās atomu sakārtojumus grafēna sekcijā, kas atspoguļo tā pamatplakni. Pēc 30 min tika arī novērots, ka SiO₂ nanodaļiņu izmēri samazinājās no 28,2 līdz 15,3 nm vidēji (papildu attēls  ). Tas notika, jo grafēna augšana ietver iepriekš minēto SiO₂ reducēšanu un pēc tam OH⁻ veidošanos. Tādējādi kopējā grafēna augšana ir diezgan līdzīga popkornam, kas izplešas 3D apjomīgā struktūrā, veidojoties uz oriģinālo kodolu rēķina (1. attēls h). 3a–f 3g 4   Grafēna augšana no SiO₂ nanodaļiņām.  –  TEM raksturojums   pirms CVD augšanas,   pēc 5 min augšanas un   pēc 30 min augšanas (mēroga stieņi, 50 nm).  –  To attiecīgie palielinātie attēli (mēroga stieņi, 10 nm).   Augstākas palielinājuma attēls grafēnam pēc 30 min augšanas un tā atomu līmeņa skats no baltās kastes (iekšējā attēlā) (mēroga stienis, 2 nm).   Grafiska ilustrācija popkornam līdzīgai grafēna augšanai no SiO₂ nanodaļiņām. a c a b c d f g h Grafēna augšanu tālāk izskaidroja virkne papildu analīžu. Rentgenstaru difrakcijas (XRD) spektri, kas iegūti augšanas laikā, norāda, ka CVD procesam progresējot, virsotnes pie 2  = 26,44° un 44°, kas atbilst grafīta (002) un (101) plaknēm, nepārtraukti pieauga (2. attēls a), vēlreiz apstiprinot grafītiskā oglekļa veidošanos , , . Grafēna augšana tika atspoguļota arī virsotnēs pie 284,5 un 291,5 eV rentgenstaru fotoelektronu spektroskopijas (XPS) C 1s zarā (2. attēls b) , . Virsotne pie 284,5 eV ir piešķirta C–C un C = C saitēm, kas izteikti parādījās pēc 30 min augšanas, pateicoties grafītiskā oglekļa veidošanai. Progresīvās XPS virsotnes Si 2p zarā (2. attēls c) atkārtoti apstiprina  SiO₂ reducēšanos CVD procesa laikā. Pieaugot augšanas laikam, virsotne ap 103 eV pārvietojās uz zemākām iesiešanas enerģijām, jo samazinājās Si oksidācijas stāvoklis. Balstoties uz oglekļa signāla klātbūtni un intensitāti enerģijas dispersīvās rentgena (EDX) kartēšanā (2. attēls d–g), tika konstatēts, ka pat pēc 5 min grafēna augšana notika gar SiOₓ virsmu, un pēc 30 min augšana izplatījās visā attēla laukumā, kamēr Si un O palika homogēni sadalīti. Grafēna svara daļa un Raman analīzes rezultāti, specifiskā virsmas laukuma un GB vadītspējas pie dažādiem CVD augšanas laikiem ir apkopoti 1. tabulā. Attiecībā uz specifisko virsmas laukumu, tā samazināšanās, palielinoties reakcijas laikam, tiek attiecināta uz progresīvo grafitizāciju, kuras laikā grafēna slāņi tiek savienoti un sakrauti. Detalizēti Raman un termogravimetriskās (TG) analīzes spektri ir sniegti papildu attēlā  . θ 23 24 25 22 23 25 5   Grafēna bumbas analīze tās augšanas laikā.  –  Grafēna augšanas uzraudzība CVD procesa gaitā, izmantojot   XRD,   XPS C 1s zarā un   XPS Si 2p zarā.  –  EDX elementu kartēšana attiecībā uz C, O un Si pēc  ,   5 min un  ,   30 min grafēna augšanas no SiO₂ (mēroga stieņi, 50 nm). a c a b c d g d e f g Grafēna bumbas pārklāšana uz Ni-bagātā katoda materiāla Pateicoties tā atomu biezuma slāņveida morfoloģijai, grafēns ir ticis uzskatīts par vienu no ideālākajiem materiāliem augstas ietilpības slāņveida katoda materiālu virsmas aizsargpārklājumiem. Tomēr, attiecībā uz labi zināmiem šķīduma procesiem , , ,  balstītiem uz Hummer metodi, vienmērīgu pārklājumu ar ierobežotu grafēna saturu ir grūti panākt sakarā ar aglomerāciju, kas rodas spēcīgās elektrostatiskās mijiedarbības starp grafēna loksnēm dēļ. Cenšoties pārvarēt aglomerācijas problēmu, ir ieviesta atšķirīga pieeja, piemēram, grafīta sasmalcināšana, izmantojot bumbiņu frēzēšanas procesu . Tomēr šis process parasti ir lēns (>6 h) un, kas vēl svarīgāk, var sabojāt saimniek-materiāla kristāliskumu. Jāatzīmē arī, ka CVD procesu laikā veidotais amorfā oglekļa pārklājums nav piemērots Ni-bagātajiem oksīdu materiāliem , , jo CVD procesi ekstrahē pārejas metālus (TM), perturbējot sākotnējo saimniek-materiāla kristālisko struktūru. 26 27 28 29 30 31 32 Turpretim šajā pētījumā sintezētā GB var tikt pārklāta uz komerciālā LiNi₀.₆Co₀.₁Mn₀.₃O₂ pulvera (izmērs = ~10 µm) virsmas ar minimālu 1 wt% saturu, izmantojot maigu Nobilta frēzēšanas procesu. Pārklāšanas process ir arī diezgan ātrs (~10 min pie 3000 apgr./min). SiOₓ sēklām ir būtiska nozīme, nodrošinot šo vienmērīgo pārklājumu pie zema svara satura. SiOₓ sēklas veido 57,5 wt% no GB (TG rezultāts papildu attēlā  ), un pārklāšanas procesā to klātbūtne ļauj GB radīt bīdes spēku uz LiNi₀.₆Co₀.₁Mn₀.₃O₂ virsmas, radot ciešu mijiedarbību un pat iespiešanos. Lai apstiprinātu šo parādību, tika veikts tāds pats pārklāšanas process ar fizisku 0,5 wt% SiO₂ un 0,5 wt% grafēna maisījumu. Šis paraugs cieta no kristāliskas NCM virsmas reģiona bojājuma, ko izraisīja agresīvas sadursmes starp LiNi₀.₆Co₀.₁Mn₀.₃O₂ daļiņām, kā arī starp LiNi₀.₆Co₀.₁Mn₀.₃O₂ daļiņām un reaktora sienu (papildu attēls  ). Šīs parādības tika pastiprinātas ar grafēna aglomerāciju, kas notika, neklātveicot 3D hierarhiskās struktūras, kas satur SiOₓ daļiņu centrus. 5b 6 GB vienmērīgā pārklāšana tika apstiprināta ar SEM un TEM analīzēm. Turpmāk LiNi₀.₆Co₀.₁Mn₀.₃O₂ pirms un pēc GB pārklāšanas apzīmē kā primāro NCM un GB-NCM attiecīgi. Zemas palielinājuma SEM attēli no NCM pirms un pēc GB pārklāšanas (3. attēls a, b, papildu attēls  ) parādīja ļoti līdzīgas morfoloģijas zālā satura GB vienmērīgās izplatīšanās dēļ. Tomēr augstākas palielinājuma SEM attēls no GB-NCM norāda, ka GB iespiežas NCM daļiņu spraugās (3. attēls d). GB iespiešanās bija skaidrāk novērojama TEM attēlos (3. attēls e, f). 3. attēlā e tika novērota grafēna loksne NCM daļiņas augšpusē esošajā atvērtajā telpā (skatīt sarkanās punktētās līnijas). Dažas grafēna loksnes bija izlīdzinātas gar NCM virsmu un parādīja konsekventu sl 6a, b

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

Šis audio ir izveidots stāsta oriģinālvalodā!

Ātrāka uzlāde, ilgāks mūžs: grafēna triks litija bateriju uzlabošanai

About Author

KOMENTĀRI

PAKARINĀT TAGUS

ŠIS RAKSTS TIKS PĀRSTRĀDĀTS

Related Stories

Light-Mode

Classic

Newspaper

Minty

Dark-Mode

Neon Noir

Minty

HN StartUps