
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Pengarang: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 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 sifat tanpa mengorbankan sifat lain adalah 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 untuk dilapisi secara seragam pada katoda berlapis kaya nikel melalui penggilingan Nobilta yang dapat diskalakan. Lapisan bola graphene meningkatkan masa pakai siklus dan kemampuan pengisian cepat dengan menekan reaksi samping yang merugikan dan menyediakan jalur konduktif yang efisien. Bola graphene itu sendiri juga berfungsi sebagai bahan 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 untuk 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 Pengembangan baterai lithium-ion (LIB) yang berkelanjutan telah menghasilkan peningkatan 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 sebagian besar sudah memuaskan , , . Namun, seiring penetrasi kendaraan listrik (EV) ke pasar LIB, sifat elektrokimia utama telah memberlakukan standar yang lebih menantang; sementara kepadatan energi yang lebih tinggi diinginkan untuk peningkatan jarak tempuh mengemudi, kinetika reaksi yang ditingkatkan dituntut untuk pengisian cepat dan operasi laju tinggi. Keamanan jelas merupakan faktor penting untuk aplikasi EV. Tantangan besar terletak pada mengatasi hubungan trade-off di antara sifat-sifat kunci ini; biasanya tidak mudah untuk meningkatkan satu sifat tanpa mengorbankan yang lain. 1 2 3 Hubungan trade-off tersebut sangat jelas antara kepadatan energi dan pengisian cepat (atau kemampuan daya). Sementara penggunaan nanomaterial sebagai komponen aktif ,  dan penggabungan nanomaterial karbon , ,  sebagai agen konduktif telah menunjukkan peningkatan laju pengisian dengan mengurangi jarak difusi ion dan resistansi internal, sebagian besar pendekatan tersebut masih memerlukan perbaikan 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 padanan gravimetrik. Dalam konteks serupa menuju pengurangan resistansi internal, integrasi nanomaterial karbon seperti graphene telah terbukti efektif dalam meningkatkan konduktivitas listrik elektroda skala laboratorium. Namun, pencapaian distribusi seragam dari konten berat yang kecil (yaitu, <3% berat) nanomaterial karbon dalam proses bubur skala besar belum ditunjukkan. Modifikasi bahan aktif yang ada dengan doping unsur asing ,  atau kontrol stoikiometri , ,  juga dapat meningkatkan difusivitas ion Li dan dengan demikian laju pengisian bahan 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 Selanjutnya, selain kepadatan energi dan pengisian cepat, mencapai masa pakai siklus yang panjang, terutama pada suhu tinggi (yaitu, 60 °C), masih tetap menjadi tantangan bagi LIB canggih yang menggabungkan bahan elektroda berkapasitas tinggi. Sementara bahan oksida berlapis kaya nikel (Ni) dan kaya Li dianggap sebagai bahan katoda yang akan datang karena kapasitas spesifiknya yang unggul dibandingkan dengan padanan LiCoO₂ klasik, diketahui bahwa pencampuran kation yang tak terhindarkan selama pengisian merusak kerangka berlapis menjadi struktur spinel atau garam batu, bersama dengan reaksi samping yang tidak diinginkan di permukaan elektroda. Mengingat upaya yang dilakukan sejauh ini, salah satu solusi paling realistis untuk segera mencapai pengisian cepat bahan katoda dengan kehilangan kepadatan energi dan masa pakai siklus yang dapat diabaikan melibatkan penemuan bahan pelindung konduktif yang dapat dilapisi secara seragam pada bahan aktif dengan konten minimal. Menemukan bahan anoda canggih juga penting karena anoda grafit saat ini menderita pengendapan logam Li selama pengisian laju tinggi. Di sini kami melaporkan rakitan graphene–silika (SiO₂), yang disebut bola graphene (GB), sebagai bahan pelapis untuk bahan katoda berlapis kaya nikel berkapasitas tinggi serta bahan anoda LIB. Setiap GB terdiri dari pusat nanopartikel SiO₂ dan lapisan graphene di sekitarnya, membentuk struktur tiga dimensi (3D) seperti popcorn. Nanopartikel SiO₂ memainkan peran penting dalam berbagai aspek, seperti menghindari pembentukan lapisan silikon karbida (SiC) pada antarmuka SiO₂ –graphene selama pertumbuhan graphene, memastikan pelapisan GB yang seragam pada bahan katoda, dan menyediakan kapasitas spesifik yang tinggi ketika GB digunakan sebagai bahan 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 cepat katoda. Mengambil keuntungan unik dari 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. 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 berdiameter 20–30 nm pada 1000 °C. Pada suhu ini, CH₄ terurai untuk menghasilkan atom hidrogen, yang kemudian dapat mereduksi SiO₂ menjadi SiOₓ (x < 2). OH⁻ juga diproduksi secara bersamaan melalui reaksi berikut: Fitur utama dalam reaksi ini adalah bahwa SiOₓ yang dihasilkan menyediakan situs katalitik untuk pertumbuhan graphene, dan OH⁻ berfungsi sebagai oksidan ringan untuk memfasilitasi pembentukan karbon grafitik menuju graphene , . Peran oksidan ringan pada pembentukan karbon grafitik baru-baru ini dirasionalisasi  dengan cara bahwa, 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 seharusnya 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 disukai menuju pembentukan karbon grafitik. Kehadiran oksidan ringan mencegah pembentukan lapisan silikon karbida (SiC) di permukaan SiOₓ karena oksidan mencegah reduksi Si menuju pembentukan SiC . 14 15 16 17 18 19 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 penting lingkungan pertumbuhan diklarifikasi oleh eksperimen kontrol (Gambar Tambahan  ); mengikuti proses CVD konvensional menggunakan katalis logam, CH₄ dan H₂ dialirkan dalam rasio aliran volume 3:7 pada 1000 °C. Karena dekomposisi CH₄ terhambat oleh jumlah H₂ yang besar, pertumbuhan graphene memang sangat lambat, mengungkapkan 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 padanan berbasis CVD sebelumnya yang menggunakan katalis logam dan memainkan peran kunci dalam memproduksi rakitan graphene–SiOₓ dengan struktur hierarkis 3D. 1 20 21 22 2 Serangkaian analisis mikroskop elektron pindai (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 pembesaran tinggi (Gambar  ) menangkap susunan atom heksagonal di bagian graphene, yang mencerminkan bidang dasarnya. Setelah 30 menit, juga diamati bahwa ukuran nanopartikel SiO₂ berkurang 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⁻ berikutnya. Oleh karena itu, pertumbuhan graphene secara keseluruhan cukup analog dengan popcorn yang mengembang dalam struktur besar 3D, diproduksi dengan mengorbankan kernel asli (Gambar  ). 3a–f 1a–g 1b 3g 1c 1g 4 1h   Pertumbuhan graphene dari nanopartikel SiO₂.  –  Karakterisasi TEM   sebelum pertumbuhan CVD,   setelah pertumbuhan 5 menit, dan   setelah pertumbuhan 30 menit (skala bar, 50 nm).  –  Gambar perbesarannya masing-masing (skala bar, 10 nm).   Gambar pembesaran lebih tinggi dari graphene setelah pertumbuhan 30 menit 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 lebih lanjut dijelaskan oleh serangkaian analisis tambahan. Spektrum difraksi sinar-X (XRD) yang diperoleh selama pertumbuhan menunjukkan bahwa seiring kemajuan proses CVD, puncak pada 2θ = 26,44° dan 44°, yang sesuai dengan bidang (002) dan (101) grafit, terus tumbuh (Gambar  ), mendukung sekali lagi pembentukan karbon grafitik , , . Pertumbuhan graphene juga tercermin dalam puncak pada 284,5 dan 291,5 eV di cabang C 1s analisis spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS) (Gambar  ) , . Puncak pada 284,5 eV dikaitkan dengan ikatan C–C dan C=C, yang muncul secara menonjol setelah 30 menit pertumbuhan karena pembentukan karbon grafitik. Puncak XPS progresif di cabang Si 1s analisis XPS (Gambar  ) menegaskan kembali  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 berkurang. Berdasarkan keberadaan dan intensitas sinyal karbon dalam pemetaan pemindai energi dispersif X-ray (EDX) (Gambar  ), ditemukan bahwa bahkan setelah 5 menit, pertumbuhan graphene memang terjadi di sepanjang permukaan SiOₓ, dan setelah 30 menit, pertumbuhan menyebar ke seluruh area gambar, sementara Si dan O tetap terdistribusi secara homogen. Bagian berat graphene, dan hasil analisis Raman, luas permukaan spesifik, dan konduktivitas GB pada waktu pertumbuhan CVD yang berbeda diringkas dalam Tabel  . Adapun luas permukaan spesifik, penurunannya dengan meningkatnya waktu reaksi dikaitkan dengan grafitisasi progresif di mana lapisan graphene menyatu dan menumpuk. Analisis Raman dan analisis termogravimetri (TG) terperinci disajikan dalam Gambar Tambahan  . 2a 23 24 25 2b 22 23 2c 25 2d–g 1 5   Analisis bola graphene selama pertumbuhannya.  –  Pemantauan pertumbuhan graphene selama proses CVD menggunakan   XRD,   XPS pada cabang C 1s, dan   cabang Si 2p XPS.  –  Pemetaan unsur EDX sehubungan dengan C, O, dan Si setelah  ,   5 menit dan  ,   pertumbuhan graphene 30 menit dari SiO₂ (skala bar, 50 nm) a c a b c d g d e f g Pelapisan bola graphene pada bahan katoda kaya nikel Karena morfologinya yang berlapis setebal atom, graphene telah dianggap sebagai salah satu bahan paling ideal untuk pelapisan pelindung permukaan bahan katoda berkapasitas tinggi. Namun, dalam kasus proses larutan yang terkenal , , ,  berdasarkan metode Hummer, pencapaian pelapisan seragam dengan konten graphene yang 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 bahan induk. Perlu juga dicatat bahwa pelapisan karbon amorf melalui proses CVD tidak berlaku untuk bahan oksida kaya nikel ,  karena proses CVD mengekstraksi logam transisi (TM), mengganggu struktur kristal asli bahan induk. 26 27 28 29 30 31 32 Sebaliknya, GB yang disintesis dalam penelitian ini dapat dilapisi pada permukaan bubuk LiNi₀.₆Co₀.₁Mn₀.₃O₂ komersial (ukuran = ~10 µm) pada konten minimal 1% berat melalui proses penggilingan Nobilta yang ringan. Proses pelapisan juga cukup cepat (~10 menit pada 3000 rpm). Benih SiOₓ berperan penting dalam memungkinkan pelapisan seragam ini pada konten berat yang rendah. Benih SiOₓ menyumbang 57,5% berat GB (hasil TG pada Gambar Tambahan  ) dan dalam proses pelapisan, keberadaannya memungkinkan GB untuk memberikan gaya geser pada permukaan LiNi₀.₆Co₀.₁Mn₀.₃O₂, menghasilkan interaksi yang erat 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 tanpa adanya struktur hierarkis 3D yang mengandung pusat partikel SiO₂. 5b 6 Pelapisan GB yang seragam dikonfirmasi oleh analisis SEM dan TEM. Selanjutnya, LiNi₀.₆Co₀.₁Mn₀.₃O₂ sebelum dan sesudah pelapisan GB masing-masing disebut sebagai NCM murni dan GB-NCM. Gambar SEM dengan pembesaran rendah dari NCM sebelum dan sesudah pelapisan GB (Gambar  , Gambar Tambahan  ) menunjukkan morfologi yang sangat mirip karena distribusi seragam GB konten rendah. Namun, gambar SEM dengan pembesaran lebih tinggi dari GB-NCM menunjukkan bahwa GB menembus ruang di antara partikel primer NCM (Gambar  ). Penetrasi GB lebih jelas terlihat 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 berjajar 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, 2 µm dan 200 nm, masing-masing) dan  ,   setelah pelapisan GB (skala bar, 2 µm dan 200 nm, masing-masing).  ,   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 berlapis GB.   Spektrum XPS dari tiga sampel yang sama pada cabang C 1s.   Ilustrasi skematis 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 GB yang homogen 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 sesuai dengan GB telanjang. Demikian pula, pembentukan karbon grafitik yang direpresentasikan oleh ikatan C–C dan C=C terdeteksi dalam spektrum XPS C 1s dari GB-NCM (Gambar  ). Puncak satelit pada 291,5 eV juga mendukung pembentukan karbon grafitik . Yang terpenting, bahkan penambahan 1% berat GB meningkatkan konduktivitas bubuk NCM secara signifikan ketika diuji dalam bentuk pelet; NCM murni berbentuk 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 pelapisannya yang seragam pada bubuk NCM berukuran mikrometer pada konten 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 diuji dalam konfigurasi sel setengah, menggunakan cakram logam Li sebagai elektroda lawan dan referensi. Kami pertama-tama membahas kondisi elektroda yang kami gunakan, untuk menekankan kelayakan komersial pendekatan berbasis GB. Katoda LIB komersial saat ini berdasarkan LiCoO₂ (misalnya, yang digunakan untuk ponsel pintar), bahan aktif menempati 96–97% berat elektroda untuk memaksimalkan kepadatan energi volumetrik . Dalam kasus bahan aktif kaya nikel, karena konduktivitas elektroniknya yang lebih rendah, konten ~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 konten bahan aktif ke tingkat elektroda berbasis LiCoO₂, elektroda yang terdiri dari 97% berat bahan aktif NCM, 0,5% berat super P, 1,0% berat GB, dan 1,5% berat pengikat polimer (polivinilidena fluorida, PVDF) disiapkan (lihat detail dalam Tabel Tambahan  ). Karena benih SiOₓ menyusun 57,5% berat GB (Gambar Tambahan  ), graphene itu sendiri menempati hanya 0,425% berat seluruh elektroda. 1 5b Secara luar biasa, peningkatan konten NCM (92% berat → 97% berat) yang dimungkinkan oleh peningkatan konduktivitas karena GB terintegrasi meningkatkan kapasitas volumetrik elektroda sebesar ~

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

Audio ini dihasilkan dalam bahasa asal cerita!

Cas Pengisian Lebih Cepat, Hayat Lebih Lama: Trik Grafena Menaiktaraf Bateri Litium

About Author

KOMEN

GANTUNG TANDA

ARTIKEL INI DIBENTANGKAN DALAM

Related Stories

Light-Mode

Classic

Newspaper

Minty

Dark-Mode

Neon Noir

Minty

HN StartUps