
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Autorë: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 In Hyuk Son Jong Hwan Park Seongyong Park Kwangjin Park Sangil Han Jaeho Shin Seok-Gwang Doo Yunil Hwang Hyuk Chang Jang Wook Choi Abstrakt Përmirësimi i një vetie pa sakrifikuar të tjerat është sfidues për bateritë litium-jon për shkak të natyrës së kompromisit midis parametrave kryesorë. Këtu ne raportojmë një proces depozitimi me avull kimik për rritjen e njëAsamblesh grafen–silicë, të quajtur top grafeni. Struktura e tij hierarkike tredimensionale me qendrën e nanoparticleve të oksidit të silikonit lejon që edhe 1% në peshë top grafeni të mbulohet në mënyrë uniforme mbi një katodë shtresore të pasur me nikel nëpërmjet bluarjes së skicuar të Nobilta-s. Mbulesa me top grafeni përmirëson jetën e ciklit dhe aftësinë e karikimit të shpejtë duke shtypur reaksionet anësore dëmtuese dhe duke ofruar shtigje efektive conductive. Vetë topi i grafitit shërben gjithashtu si material anode me një kapacitet specifik të lartë prej 716.2 mAh g−1. Një qelizë e plotë që përfshin topa grafeni rrit dendësinë volumetrike të energjisë me 27.6% krahasuar me një qelizë kontrolli pa topa grafeni, duke treguar mundësinë e arritjes së 800 Wh L−1 në një mjedis qelize komerciale, së bashku me një ciklim të lartë prej 78.6% mbajtjeje kapaciteti pas 500 cikleve në 5C dhe 60°C. Hyrje Zhvillimi i vazhdueshëm i baterive litium-jon (LIBs) ka rezultuar në përmirësime të jashtëzakonshme në aspekte të ndryshme të funksionimit të tyre, duke përfshirë dendësinë e energjisë, dendësinë e fuqisë, jetën e ciklit dhe sigurinë. Në prani, pajisjet IT mobile përbëjnë një pjesë të rëndësishme të aplikimeve LIB, ku specifikimet operuese të LIB-ve më të avancuara janë kryesisht të kënaqshme , , . Megjithatë, ndërsa automjetet elektrike (EVs) kanë depërtuar në tregjet LIB, vetitë kryesore elektrokimike kanë imponuar standarde më sfiduese; ndërsa dëshirohen dendësi më të larta energjie për kilometraazh më të madh udhëtimi, kërkohen kinetika të përmirësuara të reagimit për karikim të shpejtë dhe operacione me shpejtësi të lartë. Siguria është gjithashtu padyshim një faktor kritik për aplikimet EV. Një sfidë e madhe qëndron në kapërcimin e marrëdhënies së kompromisit midis këtyre vetive kryesore; zakonisht nuk është e thjeshtë të përmirësohet një veti pa sakrifikuar të tjerat. 1 2 3 Një marrëdhënie e tillë kompromisi është veçanërisht e dukshme midis dendësisë së energjisë dhe karikimit të shpejtë (ose aftësisë së fuqisë). Ndërsa përdorimi i nanomaterialeve si komponentë aktivë ,  dhe përfshirja e nanomaterialeve të karbonit , ,  si agjentë conductive kanë treguar shkallë të përmirësuara karikimi duke reduktuar distancën e difuzionit jonik dhe rezistencën e brendshme, shumica e atyre qasjeve ende kërkojnë përmirësim para se të mund të implementohen në teknologjinë aktuale LIB. Dendësitë e rrahura të nanomaterialeve janë shumë më të ulëta se ato të grimcave mikrometrore konvencionale, gjë që është dëmtuese për dendësinë volumetrike të energjisë, një faktor kyç për shumë aplikime LIB sesa homologu gravimetrik. Në një kontekst të ngjashëm drejt reduktimit të rezistencës së brendshme, integrimi i nanomaterialeve të karbonit siç është grafeni ka rezultuar efektiv në rritjen e përçueshmërisë elektrike të elektrodave të shkallës laboratorike. Megjithatë, arritja e një shpërndarjeje uniforme të një përmbajtjeje të vogël peshe (domethënë, <3 wt%) të nanomaterialeve të karbonit në një proces llumi në shkallë të gjerë ende nuk është demonstruar. Modifikimi i materialeve aktive ekzistuese duke i dopuar me elementë të huaj ,  ose kontrolli stoikiometrik , ,  mund gjithashtu të rrisë difuzivitetin e joneve Li dhe kështu shkallën e karikimit të materialeve aktive konvencionale me dimensione mikrometrore. Shumica e atyre qasjeve, megjithatë, janë efektive në kurriz të kapacitetit specifik. 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Për më tepër, përveç dendësisë së energjisë dhe karikimit të shpejtë, arritja e jetës së gjatë të ciklit, veçanërisht në temperatura të larta (domethënë, 60°C), mbetet ende një sfidë për LIB-të e avancuara që përfshijnë materiale elektrode me kapacitet të lartë. Ndërsa materialet okside shtresore të pasura me nikel (Ni) dhe të pasura me Li konsiderohen si materiale katodë të ardhshme për shkak të kapaciteteve të tyre specifike superiore krahasuar me homologët klasikë të LiCoO2, dihet mirë se përzierja e pakontrolluar e kationeve gjatë karikimit dëmton kornizën shtresore në struktura spinel ose kripëra të kripëzuara, së bashku me reaksione anësore të padëshiruara në sipërfaqen e elektrodës. Duke marrë parasysh përpjekjet e ndërmarra deri më tani, një nga zgjidhjet më realiste për të arritur menjëherë karikimin e shpejtë të materialeve katodë me një humbje të papërfillshme në dendësinë e energjisë dhe jetën e ciklit përfshin gjetjen e materialeve mbrojtëse conductive që mund të mbulohen në mënyrë uniforme mbi materialet aktive me një përmbajtje minimale. Gjetja e materialeve anode të avancuara është gjithashtu thelbësore sepse anodat aktuale të grafitit vuajnë nga depozitimi i metaleve Li gjatë karikimit me shpejtësi të lartë. Këtu ne raportojmë një Asamblesh grafen–silicë (SiO x), të quajtur top grafeni (GB), si material mbulesë për materiale katodë shtresore të pasura me Ni me kapacitet të lartë, si dhe material anode LIB. Çdo GB përbëhet nga një qendër nanoparticle SiO x dhe shtresa grafeni rrethuese, duke formuar një strukturë tredimensionale (3D) të ngjashme me kokoshkat. Nanopartikujt SiO x luajnë një rol thelbësor në aspekte të shumta, siç është shmangia e formimit të një shtrese karburë silici (SiC) në ndërfaqen SiO x –grafen gjatë rritjes së grafitit, sigurimi i mbulesës uniforme të GB mbi materialin katodë dhe ofrimi i një kapaciteti specifik të lartë kur GB përdoret si material anode. Mbulesa uniforme e GB mbi katodën e pasur me Ni përmirëson stabilitetin interfacial me elektrolitin dhe përçueshmërinë elektronike mbi elektrodën, duke përmirësuar ndjeshëm ciklimin dhe aftësinë e karikimit të shpejtë të katodës. Duke marrë parasysh avantazhet unike të GB, qeliza e plotë që përbëhet nga katoda e mbuluar me GB dhe anode GB demonstron mundësinë e një dendësie të lartë volumetrike të energjisë afër 800 Wh L−1 në kushte qelize komerciale, së bashku me 78.6% mbajtje kapaciteti pas 500 cikleve në 5C dhe 60°C. Rezultatet Sintesa e topit të grafitit Për të sintetizuar GB-në e ngjashme me kokoshkat, ne zhvilluam një proces depozitimi me avull kimik (CVD) për rritjen e grafitit. Gasi CH4 u fut në furrë në prani të nanopartikujve SiO2 me diametra 20–30 nm në 1000°C. Në këtë temperaturë, CH4 dekompozohet për të gjeneruar atome hidrogjeni, të cilët më pas mund të reduktojnë SiO2 në SiO x (x < 2). OH− gjithashtu prodhohet njëkohësisht përmes reaksionit të mëposhtëm: Karakteristika kryesore në këtë reaksion është se SiO x i prodhuar ofron vende katalitike për rritjen e grafitit, dhe OH− shërben si një oksidues i butë për të lehtësuar formimin e karbonit grafitik drejt grafitit , . Roli i oksiduesve të butë në formimin e karbonit grafitik është racionalizuar kohët e fundit  në atë mënyrë që, pa një oksidues të butë, formimi i karbonit amorf është më dominues. Megjithatë, në prani të një oksiduesi të butë, u zbulua se reaksioni drejt formimit të CO ose CO2 është i preferuar për atomet e karbonit që përndryshe do të evoluonin në karbon amorf. Në fakt, rritja e lehtë e grafitit duke përdorur katalizatorë metalikë dihet se ndodh në mënyrë të ngjashme , , , ku oksigjeni i mbetur në sipërfaqen metalike çon në reagimin preferencial drejt formimit të karbonit grafitik. Prania e një oksiduesi të butë parandalon formimin e një shtrese karburë silici (SiC) në sipërfaqen e SiO x sepse oksiduesi parandalon reduktimin e Si drejt formimit të SiC . 14 15 16 17 18 19 19 Në skemën tonë të reagimit bazuar në përdorimin ekskluziv të CH4, në temperatura nën 900°C, grafeni mezi u rrit. Në të kundërt, në 1050°C e lart, rritja e grafitit u bë shumë agresive drejt formimit të grafitit (Fig. Suplementare  ). Në veçanti, temperatura e rritjes prej 1000°C është më e ulët se ato (1100–1400°C) që zakonisht përdoren për rritjen e grafitit bazuar në CVD mbi substrate Si dhe SiO2 pa katalizatorë metalikë , , . Roli kritik i mjedisit të rritjes u sqarua nga një eksperiment kontrollues (Fig. Suplementare  ); duke ndjekur proceset konvencionale CVD duke përdorur katalizatorë metalikë, CH4 dhe H2 u futën në një raport fluksi vëllimor 3:7 në 1000°C. Duke qenë se dekompozimi i CH4 u pengua nga sasia e madhe e H2, rritja e grafitit ishte me të vërtetë shumë e ngadaltë, duke zbuluar rëndësinë e përdorimit ekskluziv të CH4 në rritjen efikase të grafitit në protokollin tonë të sintezës. Në përgjithësi, zgjedhja e reagjentëve dhe temperaturës së reagimit në skemën e tanishme të reagimit është e dallueshme nga homologët e mëparshëm të bazuar në CVD që përdorin katalizatorë metalikë dhe luan një rol kyç në prodhimin e një Asamblesh grafen–SiO x me strukturën hierarkike 3D. 1 20 21 22 2 Një seri analizash me mikroskop skanues elektronik (SEM) (Fig. Suplementare  ) dhe mikroskop elektronik transmisioni (TEM) (Fig.  ) të kryera gjatë procesit CVD pasqyrojnë ndryshimet në rritjen dhe morfologjinë e grafitit. Pas 5 minutash procesi CVD, një film grafeni me trashësi 2–3 shtresore u vërejt vagullisht përgjatë sipërfaqes së SiO2 (Fig.  , e), me ngjyrën e pluhurit që u bë e zezë (Fig. Suplementare  ). Rritja e grafitit u bë më e spikatur pas 30 minutash procesi CVD, ku morfologjia e pllakës 3D ishte qartësisht e dukshme (Fig.  , f). Imazhi TEM me zmadhim të lartë (Fig.  ) kap renditjet atomike gjashtëkëndëshe në një pjesë të grafitit, të cilat pasqyrojnë planin e saj bazë. Pas 30 minutash, u vërejt gjithashtu se madhësitë e nanopartikujve SiO2 u zvogëluan nga 28.2 në 15.3 nm mesatarisht (Fig. Suplementare  ). Kjo ndodhi sepse rritja e grafitit përfshin reduktimin e mëparshëm të SiO2 dhe formimin pasues të OH−. Prandaj, rritja e përgjithshme e grafitit është mjaft analoge me kokoshkat që fryhen në strukturën masive 3D, prodhuar në kurriz të kokrrave origjinale (Fig.  ). 3a–f 1a–g 1b 3g 1c 1g 4 1h   Rritja e grafitit nga nanopartikujt SiO2.  –  Karakterizimi TEM   para rritjes CVD,   pas 5 min rritjeje, dhe   pas 30 min rritjeje (shkalla e shiritave, 50 nm).  –  Imazhet e tyre respektive të zmadhuara (shkalla e shiritave, 10 nm).   Imazh me zmadhim më të lartë të grafitit pas 30 min rritjeje dhe pamja e tij në nivel atomik nga kutia e bardhë (e futur) (shkalla e shiritave, 2 nm).   Ilustrim grafi i rritjes së grafitit të ngjashme me kokoshkat nga nanopartikujt SiO2 a c a b c d f g h Rritja e grafitit u elaborua më tej nga një seri analizash shtesë. Spektra e difraksionit me rreze X (XRD) të marra gjatë rritjes tregojnë se ndërsa procesi CVD përparon, pikat në 2θ = 26.44° dhe 44°, që korrespondojnë me planët (002) dhe (101) të grafitit, u rritën vazhdimisht (Fig.  ), duke mbështetur edhe një herë formimin e karbonit grafitik , , . Rritja e grafitit u pasqyrua gjithashtu në pikat në 284.5 dhe 291.5 eV në degën C 1s të analizës së spektrit fotoelektronik me rreze X (XPS) (Fig.  ) , . Pika në 284.5 eV i është caktuar lidhjeve C–C dhe C=C, të cilat u shfaqën në mënyrë të theksuar pas 30 minutash rritjeje për shkak të formimit të karbonit grafitik. Pikat progresive XPS në degën Si 1s të analizës XPS (Fig.  ) rikonfirmojnë  reduktimin e SiO2 gjatë procesit CVD. Me rritjen e kohës së rritjes, pika pranë 103 eV u zhvendos drejt energjive lidhëse më të ulëta për shkak të shtetit të ulët të oksidimit të Si. Bazuar në praninë dhe intensitetin e sinjalit të karbonit në hartën e energjisë dispersive të rrezeve X (EDX) (Fig.  ), u gjet se edhe pas 5 minutash, rritja e grafitit me të vërtetë ndodhi përgjatë sipërfaqes së SiO x , dhe pas 30 minutash, rritja u përhap në të gjithë zonën e imazhit, ndërsa Si dhe O mbetën të shpërndarë në mënyrë homogjene. Pjesa e peshës së grafitit, dhe rezultatet e analizës Raman, sipërfaqes specifike të sipërfaqes dhe përçueshmërisë së GB në kohë të ndryshme rritjeje CVD janë përmbledhur në Tabelën  . Sa i përket sipërfaqes specifike të sipërfaqes, zvogëlimi i saj me rritjen e kohës së reagimit i atribuohet grafitizimit progresiv gjatë të cilit shtresat e grafitit bashkohen dhe mbivendosen. Spektra detaje Raman dhe analizave termogravimetrike (TG) janë paraqitur në Fig. Suplementare  . 2a 23 24 25 2b 22 23 2c 25 2d–g 1 5   Analiza e topit të grafitit gjatë rritjes së tij.  –  Monitorimi i rritjes së grafitit gjatë procesit CVD duke përdorur   XRD,   XPS në degën C 1s, dhe   XPS dega Si 2p.  –  Hartë elementare EDX me respektimin e C, O, dhe Si pas  ,   5 min dhe  ,   30 min rritje grafit nga SiO2 (shkalla e shiritave, 50 nm) a c a b c d g d e f g Mbulesa e topit të grafitit mbi materialin katodë të pasur me Ni Për shkak të morfologjisë së tij me shtresa me trashësi atomike, grafeni është konsideruar si një nga materialet më ideale për mbulesën sipërfaqësore mbrojtëse të materialeve katodë me kapacitet të lartë. Megjithatë, në rastin e proceseve të njohura të tretjes , , ,  bazuar në metodën e Hummer, arritja e një mbulesë uniforme me një përmbajtje të kufizuar grafeni nuk është e thjeshtë për shkak të grumbullimit, i cili lind nga ndërveprimi i fortë elektrostatik midis pllakave të grafitit. Në një përpjekje për të kapërcyer problemet e grumbullimit, është prezantuar një qasje tjetër, siç është copëtimi i grafitit duke përdorur një proces bluarjeje me top . Megjithatë, ky proces është zakonisht i ngadaltë (>6 orë) dhe, më kritike, mund të dëmtojë kristalinitetin e materialit bazë. Duhet gjithashtu të theksohet se mbulesa me karbon amorf me proceset CVD nuk është e aplikueshme për materialet okside të pasura me Ni ,  sepse proceset CVD nxjerrin metale tranzicionale (TMs), duke trazuar strukturën origjinale kristalore të materialit bazë. 26 27 28 29 30 31 32 Në të kundërt, GB e sintetizuar në këtë studim mund të mbulohet në sipërfaqen e pluhurit komercial LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 (madhësia = ~10 µm) me një përmbajtje minimale prej 1% në peshë nëpërmjet një procesi të butë bluarje Nobilta. Procesi i mbulesës është gjithashtu mjaft i shpejtë (~10 min në 3000 rpm). Fartet e SiO x luajnë një rol kyç duke mundësuar këtë mbulesë uniforme në përmbajtje të ulët peshe. Fartet e SiO x përbëjnë 57.5% në peshë të GB (rezultati TG në Fig. Suplementare  ) dhe në procesin e mbulesës, prania e tyre lejon që GB të ushtrojë një forcë prerëse mbi sipërfaqen e LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2, duke prodhuar ndërveprim intim dhe madje penetrim. Për të konfirmuar këtë fenomen, i njëjti proces mbulese u krye me një përzierje fizike prej 0.5% SiO2 dhe 0.5% grafen. Ky kampioni pësoi dëmtim kristalor në rajonin e sipërfaqes së NCM për shkak të përplasjeve agresive midis grimcave LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 si dhe midis grimcave LiNi0.6Co0.1Mn0 5b

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

Kjo audio është prodhuar në gjuhën origjinale të tregimit!

Karikim më i shpejtë, jetë më e gjatë: Truku i Grafenit që përmirëson bateritë e Litiumit

About Author

KOMENTE

VARUR TAGS

KY ARTIKU U PARAQIT NË

Related Stories

Rrjeti SQD sapo vrau emetimet e tokenëve.Ja çfarë paguan 16 miliardë dollarë në DeFi TVL

Rrjeti SQD sapo vrau emetimet e tokenëve.Ja çfarë paguan 16 miliardë dollarë në DeFi TVL

Light-Mode

Classic

Newspaper

Minty

Dark-Mode

Neon Noir

Minty

HN StartUps