
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 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 sifat tanpa mengorbankan yang lain adalah tantangan bagi baterai lithium-ion karena sifat saling bertukar di antara parameter-parameter kunci. Di sini kami melaporkan proses deposisi uap kimia untuk menumbuhkan rakitan grafena–silika, yang disebut bola grafena. Struktur tiga dimensinya yang hierarkis dengan pusat nanopartikel silikon oksida memungkinkan bahkan 1% berat bola grafena untuk dilapisi secara seragam pada katoda berlapis kaya nikel melalui penggilingan Nobilta yang dapat diskalakan. Lapisan bola grafena meningkatkan masa pakai siklus dan kemampuan pengisian cepat dengan menekan reaksi samping yang merugikan dan menyediakan jalur konduktif yang efisien. Bola grafena itu sendiri juga berfungsi sebagai bahan anoda dengan kapasitas spesifik tinggi 716,2 mAh g−1. Sel lengkap yang menggabungkan bola grafena meningkatkan kepadatan energi volumetrik sebesar 27,6% dibandingkan dengan sel kontrol tanpa bola grafena, menunjukkan kemungkinan mencapai 800 Wh L−1 dalam pengaturan sel komersial, bersama dengan siklusabilitas tinggi 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 operasi LIB canggih saat ini sebagian besar memuaskan , , . Namun, seiring kendaraan listrik (EV) telah menembus pasar LIB, sifat elektrokimia utama telah memberlakukan standar yang lebih menantang; sementara kepadatan energi yang lebih tinggi diinginkan untuk jarak tempuh mengemudi yang meningkat, kinetika reaksi yang ditingkatkan dituntut untuk operasi pengisian cepat dan laju tinggi. Keamanan juga pasti merupakan faktor kritis untuk aplikasi EV. Tantangan yang ditakuti terletak pada mengatasi hubungan saling bertukar di antara sifat-sifat kunci ini; biasanya tidak mudah untuk meningkatkan satu sifat tanpa mengorbankan yang lain. 1 2 3 Hubungan saling bertukar seperti itu 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 laju pengisian yang lebih baik dengan mengurangi jarak difusi ion dan resistensi internal, sebagian besar pendekatan ini masih memerlukan perbaikan lebih lanjut sebelum dapat diimplementasikan 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 yang gravimetrik. Dalam konteks serupa menuju pengurangan resistensi internal, penggabungan nanomaterial karbon seperti grafena telah terbukti efektif dalam meningkatkan konduktivitas listrik elektroda skala laboratorium. Namun, mencapai distribusi seragam dari konten berat yang kecil (yaitu, <3 wt%) dari nanomaterial karbon dalam proses bubur skala besar belum ditunjukkan. Modifikasi bahan aktif yang ada dengan doping elemen 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 lama, 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 Ni (Ni) dan kaya Li dianggap sebagai bahan katoda yang akan datang karena kapasitas spesifiknya yang unggul dibandingkan dengan padanannya LiCoO2 klasik, diketahui bahwa pencampuran kation yang tak terhindarkan selama pengisian menurunkan 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 kerugian minimal dalam kepadatan energi dan masa pakai siklus 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 deposisi logam Li saat pengisian laju tinggi. Di sini kami melaporkan rakitan grafena–silika (SiO   ), yang disebut bola grafena (GB), sebagai bahan pelapis untuk bahan katoda berlapis kaya nikel berkapasitas tinggi serta bahan anoda LIB. Setiap GB terdiri dari pusat nanopartikel SiO   dan lapisan grafena di sekitarnya, membentuk struktur tiga dimensi (3D) seperti popcorn. Nanopartikel SiO   memainkan peran penting dalam berbagai aspek, seperti menghindari pembentukan lapisan silikon karbida (SiC) di antarmuka SiO   –grafena selama pertumbuhan grafena, 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 lengkap 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 grafena Untuk mensintesis GB seperti popcorn, kami mengembangkan proses deposisi uap kimia (CVD) untuk pertumbuhan grafena. Gas CH4 dialirkan ke dalam tungku dengan adanya nanopartikel SiO2 dengan diameter 20–30 nm pada 1000 °C. Pada suhu ini, CH4 terurai untuk menghasilkan atom hidrogen, yang kemudian 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 grafena, dan OH− berfungsi sebagai oksidan ringan untuk memfasilitasi pembentukan karbon grafit menuju grafena , . Peran oksidan ringan pada pembentukan karbon grafit 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 grafena yang mudah menggunakan katalis logam diketahui terjadi dengan cara yang serupa , , , di mana oksigen yang tersisa di permukaan logam menyebabkan reaksi yang disukai terhadap 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 eksklusif, pada suhu di bawah 900 °C, grafena hampir tidak tumbuh. Sebaliknya, pada 1050 °C dan di atasnya, pertumbuhan grafena menjadi terlalu agresif menuju pembentukan grafit (Gambar Tambahan  ). Khususnya, suhu pertumbuhan 1000 °C lebih rendah daripada yang biasanya digunakan (1100–1400 °C) untuk pertumbuhan grafena 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 H2 dalam jumlah besar, pertumbuhan grafena memang sangat lambat, mengungkapkan pentingnya penggunaan CH4 eksklusif pada pertumbuhan grafena yang efisien dalam protokol sintesis kami. Secara keseluruhan, pilihan reaktan dan suhu reaksi dalam skema reaksi saat ini berbeda dari padanan berbasis CVD sebelumnya yang menggunakan katalis logam dan memainkan peran kunci dalam menghasilkan rakitan grafena–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 grafena. Setelah 5 menit proses CVD, film grafena setebal 2–3 lapis samar-samar diamati di sepanjang permukaan SiO2 (Gambar  , e), dengan warna bubuk berubah menjadi hitam (Gambar Tambahan  ). Pertumbuhan grafena menjadi lebih menonjol setelah 30 menit proses CVD, di mana morfologi lembaran 3D jelas terlihat (Gambar  , f). Gambar TEM perbesaran tinggi (Gambar  ) menangkap susunan atom heksagonal di bagian grafena, 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 grafena melibatkan reduksi SiO2 yang disebutkan di atas dan pembentukan OH− selanjutnya. Oleh karena itu, pertumbuhan grafena 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 grafena dari nanopartikel SiO2.  –  Karakterisasi TEM   sebelum pertumbuhan CVD,   setelah 5 menit pertumbuhan, dan   setelah 30 menit pertumbuhan (skala bar, 50 nm).  –  Gambar masing-masing yang diperbesar (skala bar, 10 nm).   Gambar perbesaran lebih tinggi dari grafena setelah 30 menit pertumbuhan dan tampilan tingkat atomnya dari kotak putih (sisipan) (skala bar, 2 nm).   Ilustrasi grafis pertumbuhan grafena seperti popcorn dari nanopartikel SiO2 a c a b c d f g h Pertumbuhan grafena lebih lanjut dijelaskan oleh serangkaian analisis tambahan. Spektrum difraksi sinar-X (XRD) yang diperoleh selama pertumbuhan menunjukkan bahwa seiring proses CVD berlangsung, puncak pada 2   = 26,44° dan 44°, yang sesuai dengan bidang (002) dan (101) grafit, tumbuh terus menerus (Gambar  ), sekali lagi mendukung pembentukan karbon grafit , , . Pertumbuhan grafena 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 grafit. Puncak XPS progresif di cabang Si 1s analisis XPS (Gambar  ) mengkonfirmasi kembali  reduksi SiO2 selama proses CVD. Dengan meningkatnya waktu pertumbuhan, puncak dekat 103 eV bergeser ke energi pengikatan yang lebih rendah karena keadaan oksidasi Si yang berkurang. Berdasarkan keberadaan dan intensitas sinyal karbon dalam pemetaan energi dispersif X-ray (EDX) (Gambar  ), ditemukan bahwa bahkan setelah 5 menit, pertumbuhan grafena 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 grafena, 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 grafena menyatu dan bertumpuk. Analisis Raman dan analisis termogravimetri (TG) yang terperinci disajikan dalam Gambar Tambahan  . θ 2a 23 24 25 2b 22 23 2c 25 2d–g x 1 5   Analisis bola grafena selama pertumbuhannya.  –  Memantau pertumbuhan grafena 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 grafena dari SiO2 (skala bar, 50 nm) a c a b c d g d e f g Pelapisan bola grafena pada bahan katoda kaya nikel Karena morfologi lapisannya yang setebal atom, grafena telah dianggap sebagai salah satu bahan paling ideal untuk pelapisan pelindung permukaan bahan katoda berlapis berkapasitas tinggi. Namun, dalam kasus proses larutan yang terkenal , , ,  berdasarkan metode Hummer, mencapai pelapisan seragam dengan konten grafena yang terbatas tidaklah mudah karena aglomerasi, yang timbul dari interaksi elektrostatik yang kuat antara lembaran grafena. 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 inang. Perlu juga dicatat bahwa pelapisan karbon amorf melalui proses CVD tidak berlaku untuk bahan oksida kaya nikel ,  karena proses CVD mengekstrak logam transisi (TM), mengganggu struktur kristal asli bahan inang. 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 SiO   memainkan peran penting dalam memungkinkan pelapisan seragam ini pada konten berat yang rendah. Benih SiO   menyumbang 57,5% berat GB (hasil TG dalam Gambar Tambahan  ) dan dalam proses pelapisan, keberadaan mereka memungkinkan GB untuk memberikan gaya geser pada 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 grafena. Sampel ini mengalami kerusakan kristal pada daerah permukaan NCM karena tabrakan agresif antara partikel LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 serta antara partikel LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 dan dinding reaktor (Gambar Tambahan  ). Fenomena ini diperkuat oleh aglomerasi grafena yang terjadi tanpa adanya struktur hierarkis 3D yang mengandung pusat partikel SiO  . x x 5b 6 x Pelapisan GB yang seragam dikonfirmasi oleh analisis SEM dan TEM. Setelah ini, LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 sebelum dan sesudah pelapisan GB masing-masing disebut 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 dari konten GB yang rendah. Namun, gambar SEM perbesaran lebih tinggi dari GB-NCM menunjukkan bahwa GB menembus ke dalam ruang di antara partikel primer NCM (Gambar  ). Penetrasi GB lebih jelas diamati dalam gambar TEM (Gambar  , f). Dalam Gambar  , lembaran grafena diamati di ruang terbuka di atas partikel NCM (lihat garis putus-putus merah). Beberapa lembaran grafena disejajarkan 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 grafena (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 dari 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 tiga sampel yang sama di 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 sebanding dengan GB telanjang. Demikian pula, pembentukan karbon grafit yang diwakili 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 grafit . Yang penting, penambahan GB sebesar 1% berat bahkan meningkatkan konduktivitas bubuk NCM secara signifikan ketika diuji dalam bentuk pelet; NCM murni yang dipellet 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 dengan 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 diperiksa dalam konfigurasi sel setengah, menggunakan cakram logam Li sebagai elektroda penyeimbang 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 listriknya yang rendah, konten ~92% berat saat ini diterima sebagai nilai optimal, dengan agen konduktif dan pengikat masing-masing menyumbang ~ 3

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

Audio ini dihasilkan dalam bahasa asal cerita!

Pengecasan Lebih Pantas, Hayat Lebih Lama: Trik Grafena Menaik Taraf 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