```html
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Autorët: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 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 kimik me avull për rritjen e një ansambli grafen–silikë, të quajtur top grafeni. Struktura e tij hierarkike tredimensionale me qendrën e nanogrimcave të oksidit të silikonit lejon që edhe 1% peshë e topit të grafenit të mbulohet në mënyrë uniforme në një katodë shtresore të pasur me nikël nëpërmjet bluarjes Nobilta të shkallëzueshme. Veshja me top grafeni përmirëson jetëgjatësinë e ciklit dhe aftësinë e karikimit të shpejtë duke shtypur reaksionet anësore të dëmshme dhe duke siguruar rrugë të efektshme përçuese. Vetë topi i grafenit 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 densitetin energjetik volumetrik me 27.6% krahasuar me një qelizë kontrolli pa topa grafeni, duke treguar mundësinë e arritjes së 800 Wh L−1 në një ambient qelize komerciale, së bashku me një cikël të lartë prej 78.6% mbajtjeje kapaciteti pas 500 cikleve në 5C dhe 60 °C. Hyrje Zhvillimi i vazhdueshëm i baterive litium-jon (LIB) ka rezultuar në përmirësime të jashtëzakonshme në aspekte të ndryshme të funksionimit të tyre, duke përfshirë densitetin e energjisë, densitetin e fuqisë, jetëgjatësinë e ciklit dhe sigurinë. Aktualisht, pajisjet IT mobile përbëjnë një pjesë të konsiderueshme të aplikimeve LIB, ku specifikimet e funksionimit të LIB-ve aktuale më të avancuara janë kryesisht të kënaqshme , , . Megjithatë, ndërsa automjetet elektrike (EV) kanë depërtuar në tregjet LIB, vetitë kryesore elektrokimike kanë vendosur standarde më sfiduese; ndërsa kërkohen densitete më të larta energjetike për milazhin më të madh të udhëtimit, 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 frikshme qëndron në kapërcimin e marrëdhënies së kompromisit midis këtyre vetive kryesore; zakonisht nuk është banale të përmirësohet një veti pa sakrifikuar të tjerat. 1 2 3 Një marrëdhënie e tillë kompromisi është veçanërisht e dukshme midis densitetit të energjisë dhe karikimit të shpejtë (ose aftësisë së fuqisë). Ndërsa përdorimi i nanomaterialeve si komponentë aktivë ,  dhe përfshirja e nanimaterialeve të karbonit , ,  si agjentë përçues kanë demonstruar shkallë karikimi të përmirësuara duke reduktuar distancën e difuzionit të joneve dhe rezistencën e brendshme, shumica e këtyre qasjeve ende kërkojnë përmirësim të mëtejshëm para se të mund të zbatohen në teknologjinë aktuale LIB. Dendësitë e tapit të nanomaterialeve janë shumë më të ulëta se ato të grimcave mikronormale, gjë që është e dëmshme për densitetin energjetik volumetrik, një faktor kyç për shumë aplikime LIB sesa homologu gravimetrik. Në një kontekst të ngjashëm drejt reduktimit të rezistencës së brendshme, integrimi i nanimaterialeve të karbonit siç është grafeni ka rezultuar efektiv në rritjen e përçueshmërisë elektrike të elektrodave në shkallë laboratorike. Megjithatë, arritja e një shpërndarjeje uniforme të një përmbajtjeje të vogël peshe (dmth., <3 wt%) të nanimaterialeve 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 difuzionin e joneve Li dhe kështu shkallën e karikimit të materialeve aktive konvencionale me dimensione mikrometrish. Shumica e këtyre qasjeve, megjithatë, janë efektive në kurriz të kapacitetit specifik. 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Më tej, përveç densitetit të energjisë dhe karikimit të shpejtë, arritja e jetëgjatësisë së gjatë të ciklit, veçanërisht në temperatura të larta (dmth., 60 °C), mbetet ende një sfidë për LIB-të e avancuara që përfshijnë materiale elektrodash 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 pashmangshme e kationeve gjatë karikimit degradon kornizën shtresore në struktura spinele ose rock-salt, 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 arritjen e menjëhershme të karikimit të shpejtë të materialeve katodë me një humbje të parëndësishme në densitetin e energjisë dhe jetëgjatësinë e ciklit përfshin gjetjen e materialeve mbrojtëse përçuese që mund të mbulohen në mënyrë uniforme në materialet aktive me një përmbajtje minimale. Gjetja e materialeve anode të avancuara është gjithashtu esenciale sepse anodat aktuale të grafitit vuajnë nga depozitimi i Li metalit pas karikimit me shpejtësi të lartë. Këtu ne raportojmë një ansambël grafen–silikë (SiO ), të quajtur top grafeni (GB), si material mbulese për materiale katodë shtresore të pasura me Ni me kapacitet të lartë, si dhe material anode LIB. Çdo GB përbëhet nga një qendër nanogrimce SiO  dhe shtresa grafeni rrethuese, duke formuar një strukturë tredimensionale (3D) si kokoshka. Nanogrimcat SiO  luajnë një rol thelbësor në aspekte të shumta, siç është parandalimi i formimit të një shtrese karburë silici (SiC) në ndërfaqen SiO –grafen gjatë rritjes së grafenit, sigurimi i mbulesës uniforme të GB në materialin katodë dhe ofrimi i një kapaciteti specifik të lartë kur GB përdoret si material anode. Mbulesa uniforme e GB në katodën e pasur me Ni përmirëson stabilitetin ndërfaqësor me elektrolitin dhe përçueshmërinë elektronike në elektrodë, duke përmirësuar ndjeshëm ciklin dhe aftësinë e karikimit të shpejtë të katodës. Duke marrë parasysh avantazhet unike të GB, qeliza e plotë që përmban katodën e mbuluar me GB dhe anodën GB demonstron mundësinë e një densiteti energjetik volumetrik afër 800 Wh L−1 në kushte qelize komerciale, së bashku me 78.6% mbajtjeje kapaciteti pas 500 cikleve në 5C dhe 60 °C. x x x x Rezultatet Sintesa e topit të grafenit Për të sintetizuar GB-në si kokoshkë, ne zhvilluam një proces depozitimi kimik me avull (CVD) për rritjen e grafenit. Gazi CH4 u ushqye në një furrë në prani të nanogrimcave SiO2 me diametra 20–30 nm në 1000 °C. Në këtë temperaturë, CH4 dekompozohet për të gjeneruar atome hidrogjeni, të cilat më pas mund të reduktojnë SiO2 në SiO  ( <2). OH− gjithashtu prodhohet njëkohësisht përmes reaksionit vijues: x x Karakteristika kryesore në këtë reaksion është se SiO  i prodhuar siguron vende katalitike për rritjen e grafenit, dhe OH− sherben si një oksidues i butë për të lehtësuar formimin e karbonit grafitik drejt grafenit , . 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 preferuar për atomet e karbonit që përndryshe do të evoluonin në karbon amorf. Në fakt, rritja e lehtë e grafenit 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  sepse oksiduesi parandalon reduktimin e Si drejt formimit të SiC . x 14 15 16 17 18 19 x 19 Në skemën tonë të reagimit bazuar në përdorimin ekskluziv të CH4, në temperatura nën 900 °C, grafeni mezi u rrit. Në kontrast, në 1050 °C e lart, rritja e grafenit u bë shumë agresive drejt formimit të grafitit (Fig. Mbështetëse S1). Në mënyrë të veçantë, temperatura e rritjes prej 1000 °C është më e ulët se ato (1100–1400 °C) që zakonisht përdoren për rritjen e grafenit bazuar në CVD mbi substrate Si dhe SiO2 pa katalizatorë metalikë , , . Roli kyç i mjedisit të rritjes u sqarua nga një eksperiment kontrolli (Fig. Mbështetëse S2); duke ndjekur proceset konvencionale CVD duke përdorur katalizatorë metalikë, CH4 dhe H2 u ushqyen në një raport rrjedhjeje vëllimore 3:7 në 1000 °C. Sepse dekompozimi i CH4 u pengua nga sasia e madhe e H2, rritja e grafenit ishte vërtet shumë e ngadaltë, duke zbuluar rëndësinë e përdorimit ekskluziv të CH4 për rritjen efikase të grafenit në protokollin tonë të sintezës. Në përgjithësi, zgjedhja e reagentëve dhe temperaturës së reagimit në skemën aktuale 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 ansambli grafen–SiO  me strukturë hierarkike 3D. 20 21 22 x Një seri analizash mikroskopike me skanim elektronik (SEM) (Fig. Mbështetëse S3a–f) dhe mikroskopike me transmetim elektronik (TEM) (Fig. 1a–g) të kryera gjatë procesit CVD pasqyrojnë ndryshimet në rritjen dhe morfologjinë e grafenit. Pas 5 minutash procesi CVD, një film grafeni 2–3 shtresor u vëzhgua vagësisht përgjatë sipërfaqes së SiO2 (Fig. 1b, e), me ngjyrën e pluhurit që u kthye në të zezë (Fig. Mbështetëse S3g). Rritja e grafenit u bë më e dukshme pas 30 minutash procesi CVD, ku morfologjia 3D e fletës ishte qartësisht e dukshme (Fig. 1c, f). Imazi TEM me zmadhim të lartë (Fig. 1g) kap renditjet atomike gjashtëkëndëshe në një seksion grafeni, të cilat pasqyrojnë planin e saj bazë. Pas 30 minutash, u vëzhgua gjithashtu se madhësitë e nanogrimcave SiO2 u ulën nga 28.2 në 15.3 nm mesatarisht (Fig. Mbështetëse S4). Kjo ndodhi sepse rritja e grafenit përfshin reduktimin e mëparshëm të SiO2 dhe formimin pasues të OH−. Kështu, rritja e përgjithshme e grafenit është mjaft analoge me kokoshkat që fryhen në strukturën masive 3D, të prodhuar në kurriz të kokrrave origjinale (Fig. 1h).   Rritja e grafenit nga nanogrimcat SiO2.  –  Karakterizimi TEM   para rritjes CVD,   pas 5 minutash rritje, dhe   pas 30 minutash rritje (shkallëza, 50 nm).  –  Imazhet e tyre përkatëse të zmadhuara (shkallëza, 10 nm).   Imazh me zmadhim më të lartë i grafenit pas 30 minutash rritje dhe pamja e tij në nivel atomik nga kutia e bardhë (shënim) (shkallëza, 2 nm).   Ilustrim grafik i rritjes së grafenit si kokoshkë nga nanogrimcat SiO2 a c a b c d f g h Rritja e grafenit u sqarua më tej nga një seri analizash shtesë. Spektret e difraksionit me rreze X (XRD) të marra gjatë rritjes tregojnë se ndërsa procesi CVD përparon, pikat në 2  = 26.44° dhe 44°, që korrespondojnë me planet (002) dhe (101) të grafitit, u rritën vazhdimisht (Fig. 2a), duke mbështetur edhe një herë formimin e karbonit grafitik , , . Rritja e grafenit u pasqyrua gjithashtu në pikat në 284.5 dhe 291.5 eV në degën C 1s të analizës së spekroskopicë photoelectron me rreze X (XPS) (Fig. 2b) , . Pika në 284.5 eV i atribuohet lidhjeve C–C dhe C=C, të cilat u shfaqën dukshëm pas 30 minutash rritjeje për shkak të formimit të karbonit grafitik. Pikat progresive XPS në degën Si 1s të analizës XPS (Fig. 2c) rikonfirmojnë  reduktimin e SiO2 gjatë procesit CVD. Me rritjen e kohës së rritjes, pika pranë 103 eV u zhvendos në energji lidhëse më të ulëta për shkak të uljes së shtetit të oksidimit të Si. Bazuar në praninë dhe intensitetin e sinjalit të karbonit në hartimin elementor të analizës me shpërndarje energjetike (EDX) (Fig. 2d–g), u gjet se edhe pas 5 minutash, rritja e grafenit vërtet ndodhi përgjatë sipërfaqes së SiO  , dhe pas 30 minutash, rritja u përhap mbi të gjithë zonën e imazhit, ndërsa Si dhe O mbetën të shpërndarë në mënyrë homogjene. Pjesa e peshës së grafenit, dhe rezultatet e analizës Raman, sipërfaqes specifike dhe përçueshmërisë së GB në kohë të ndryshme të rritjes CVD janë përmbledhur në Tabelën 1. Sa i përket sipërfaqes specifike, ulja e saj me rritjen e kohës së reagimit i atribuohet grafitizimit progresiv gjatë së cilës shtresat e grafenit bashkohen dhe grumbullohen. Analizat detaje Raman dhe termogravimetrike (TG) janë paraqitur në Fig. Mbështetëse S5. θ 23 24 25 22 23 25 x   Analiza e topit të grafenit gjatë rritjes së tij.  –  Monitorimi i rritjes së grafenit gjatë procesit CVD duke përdorur   XRD,   XPS në degën C 1s, dhe   XPS dega Si 2p.  –  Hartëzimi elementor EDX në lidhje me C, O, dhe Si pas  ,   5 minutash dhe  ,   30 minutash rritje grafeni nga SiO2 (shkallëza, 50 nm) a c a b c d g d e f g Mbulesa e topit të grafenit në material katodë të pasur me Ni Për shkak të morfologjisë së tij shtresore me trashësi atomike, grafeni është konsideruar si një nga materialet më ideale për mbulesën mbrojtëse sipërfaqësore të materialeve katodë me kapacitet të lartë. Megjithatë, në rastin e proceseve të njohura të zgjidhjes , , ,  bazuar në metodën Hummer, arritja e një mbulese uniforme me një përmbajtje të kufizuar grafeni nuk është e lehtë për shkak të aglomerimit, i cili lind nga ndërveprimi i fortë elektrostatik midis fletëve të grafenit. Në një përpjekje për të kapërcyer problemet e aglomerimit, është prezantuar një qasje e ndryshme, siç është copëtimi i grafitit duke përdorur një proces bluarjeje me top . Megjithatë, ky proces zakonisht është i ngadaltë (>6 orë) dhe, më kritike, mund të dëmtojë kristalinitetin e materialit pritës. Duhet gjithashtu të theksohet se mbulesa me karbon amorf me procese CVD nuk është e zbatueshme për materialet okside të pasura me Ni ,  sepse proceset CVD nxjerrin metale tranzicionale (TM), duke trazuar strukturën origjinale kristalore të materialit pritës. 26 27 28 29 30 31 32 Në kontrast, 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% peshë nëpërmjet një procesi të butë bluarjeje Nobilta. Procesi i mbulesës është gjithashtu mjaft i shpejtë (~10 min në 3000 rpm). Farat SiO  luajnë një rol kyç në mundësimin e kësaj mbulese uniforme në përmbajtje të ulëta peshe. Farat SiO  përbëjnë 57.5% peshë të GB (rezultati TG në Fig. Mbështetëse S5b) 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, u krye i njëjti proces mbulese me një përzierje fizike prej 0.5% peshë SiO2 dhe 0.5% peshë grafeni. Ky kampion pësoi dëmtime kristalore në rajonin sipërfaqësor të NCM për shkak të përplasjeve agresive midis grimcave LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 si dhe midis grimcave LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 dhe murit të reaktorit (Fig. Mbështetëse S6). Këto fenomene u amplifikuan nga aglomerimi i grafenit që ndodhi në mungesë të strukturave hierarkike 3D që përmbajnë qendrat e nanogrimcave SiO . x x x Mbulesa uniforme e GB u konfirmua nga analizat SEM dhe TEM. Më tej, LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 para dhe pas mbulesës GB quhet NCM origjinal dhe GB-NCM, respektivisht. Imazhet SEM me zmadhim të ulët të NCM para dhe pas mbulesës GB (Fig. 3a, b, Fig. Mbështetëse S6a, b) treguan morfologji shumë të ngjashme për shkak të shpërndarjes uniforme të përmbajtjes së ulët GB. Megjithatë, një imazh SEM me zmadhim më të lartë të GB-NCM tregon se GB depërtoi në hapësirat midis grimcave primare të NCM (Fig. 3d). Depërtimi i GB u vëzhgua më qartë në imazhet TEM (Fig. 3e, f). Në Fig. 3e, u vëzhgua një fletë grafeni në hapësirën e hapur mbi një grimcë NCM (shih vijat e kuqe të ndërprera). Disa fletë grafeni ishin të rregulluara përgjatë sipërfaqes së NCM dhe tregonin një distancë të qëndrueshme ndër-shtresore prej 3.3 ose 3.4 Å (Fig. 3f).   Mbulesa e GB në LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2. Imazhe SEM të LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2  ,   para (shkallëza, 2 µm dhe 2 a c

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 të shpejtë, Jetë më të 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