
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 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 Duke një tipar tregues mes parametrave kryesorë të baterive litium-jon, përmirësimi i një vetie pa sakrifikuar të tjerat është sfidues. Këtu ne raportojmë një proces të depozitimit kimik të avullit për rritjen e një asamblesh grafen–silicë, të quajtur top grafeni. Struktura e tij hierarkike tredimensionale me qendrën e nanogërmimit të oksidi të silikonit lejon që edhe 1% grafeni në peshë të mbulohet në mënyrë uniforme në një katodë shtresore të pasur me nikël përmes bluarjes së Scalable Nobilta. Mbulesa me top grafeni përmirëson jetëgjatësinë e ciklit dhe aftësinë e karikimit të shpejtë duke shtypur reagimet anësore të dëmshme dhe duke ofruar shtigje efektive për përçueshmëri. 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 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 sjellë përmirësime të jashtëzakonshme në aspekte të ndryshme të funksionimit të tyre, duke përfshirë dendësinë e energjisë, dendësinë e fuqisë, jetëgjatësinë e ciklit dhe sigurinë. Aktualisht, pajisjet IT mobile përbëjnë një pjesë të konsiderueshme të aplikimeve LIB, ku specifikimet operative të LIB-ve aktuale të teknologjisë më të avancuar janë kryesisht të kënaqshme , , . Megjithatë, ndërsa automjetet elektrike (EV) janë depërtuar në tregjet LIB, vetitë kryesore elektrokimike kanë vendosur standarde më sfiduese; ndërsa kërkohen dendësi më të larta energjie për kilometrazh më të gjatë udhëtimi, kërkohet kinetikë e përmirësuar e reagimit për karikim të shpejtë dhe operacione me shpejtësi të lartë. Siguria është gjithashtu padyshim një faktor kritik për aplikimet EV. Një sfidë e jashtëzakonshme 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 përçues kanë treguar shpejtësi të përmirësuara karikimi duke reduktuar distancën e difuzionit të joneve dhe rezistencën e brendshme, shumica e atyre qasjeve ende kërkojnë përmirësim të mëtejshëm para se të mund të zbatohen në teknologjinë aktuale LIB. Dendësitë e paketimit të nanomaterialeve janë shumë më të ulëta se ato të grimcave mikroskopike konvencionale, gjë që është e dëmshme 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 si grafeni ka provuar të jetë 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 nanomaterialeve të karbonit në një proces të përzierjes në shkallë të gjerë ende nuk është demonstruar. Modifikimi i materialeve aktive ekzistuese duke i dopuar me elementë të huaj ,  ose kontrolli steoiometrik , ,  mund gjithashtu të rrisë difuziviteti e joneve Li dhe rrjedhimisht shpejtësinë e karikimit të materialeve aktive konvencionale me dimensione mikrometri. 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 jetëgjatësisë së gjatë të ciklit, veçanërisht në temperatura të larta (dmth. 60 °C), mbetet një sfidë për LIB-të e avancuara që përfshijnë materiale elektrodi me kapacitet të lartë. Ndërsa materialet e oksideve shtresore të pasura me nikel (Ni) dhe të pasura me Li konsiderohen si materiale katodike të ardhshme për shkak të kapaciteteve të tyre specifike superiore krahasuar me ato të homologëve klasikë të LiCoO2, dihet mirë se përzierja e pashmangshme e kationeve gjatë karikimit dëmton kornizën shtresore në struktura spineli ose shkëmbi, së bashku me reagime anësore të padëshiruara në sipërfaqen e elektrodit. Duke marrë parasysh përpjekjet e ndërmarra deri tani, një nga zgjidhjet më realiste për të arritur menjëherë karikimin e shpejtë të materialeve katodike me humbje të papërfillshme në dendësinë 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 thelbësore sepse anodët aktualë grafitë vuajnë nga depozitimi i metali Li gjatë karikimit me shpejtësi të lartë. Këtu ne raportojmë një asamblesh grafen–silicë (SiO ), të quajtur top grafeni (GB), si material mbulese për materiale katodike shtresore të pasura me Ni me kapacitet të lartë, si dhe material anode LIB. Çdo GB përbëhet nga një qendër nanogërmimi SiO  dhe shtresa grafeni rrethuese, duke formuar një strukturë tredimensionale (3D) si kokërr misri. Nanogërmimet SiO  luajnë një rol kyç në disa aspekte, siç janë parandalimi i formimit të një shtrese karbur karabit (SiC) në ndërfaqen SiO  – grafen gjatë rritjes së grafitit, sigurimi i mbulesës uniforme të GB në materialin katodik 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 mbi elektrodën, duke përmirësuar ndjeshëm ciklin 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 dendësisë së lartë volumetrike të energjisë afër 800 Wh L−1 në kushtet e qelizës komerciale, së bashku me 78.6% mbajtjeje kapaciteti pas 500 cikleve në 5C dhe 60 °C. x x x x Rezultate Sintesa e topit të grafitit Për të sintetizuar GB si kokërr misri, ne zhvilluam një proces të depozitimit kimik të avullit (CVD) për rritjen e grafitit. Gazi CH4 u fut në një furrë në prani të nanogërmimeve 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 reagimit të mëposhtëm: x x Karakteristika kryesore në këtë reagim është se SiO  i prodhuar ofron vende katalitike për rritjen e grafitit, dhe OH− shërben si një oksidant i butë për të lehtësuar formimin e karbonit grafitik drejt grafitit , . Roli i oksidantëve të butë në formimin e karbonit grafitik është racionalizuar kohët e fundit  në atë mënyrë që, pa një oksidant të butë, formimi i karbonit amorf është më dominues. Megjithatë, në prani të një oksidanti të butë, u zbulua se reagimi drejt formimit të CO ose CO2 është i preferuar për atomet e karbonit që përndryshe do të evolonin 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 reagim të preferuar drejt formimit të karbonit grafitik. Prania e një oksidanti të butë parandalon formimin e një shtrese karbur karabit (SiC) në sipërfaqen e SiO  sepse oksidanti 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, grafiti pothuajse nuk u rrit. Në kontrast, në 1050 °C dhe më lart, rritja e grafitit u bë shumë agresive drejt formimit të grafitit (Figurë Plotësuese  ). 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 grafitit bazuar në CVD në substrate Si dhe SiO2 pa katalizatorë metalikë , , . Roli kritik i mjedisit të rritjes u sqarua nga një eksperiment kontrolli (Figurë Plotësuese  ); duke ndjekur proceset konvencionale CVD duke përdorur katalizatorë metalikë, CH4 dhe H2 u futën në një raport rrjedhjeje vëllimore 3:7 në 1000 °C. Për shkak se dekompozimi i CH4 u pengua nga sasia e madhe e H2, rritja e grafitit ishte me të vërtetë shumë e ngadaltë, duke treguar rëndësinë e përdorimit ekskluziv të CH4 për rritjen efikase të grafitit në protokollin tonë të sintezës. Në përgjithësi, zgjedhja e reagjentëve dhe temperaturës së reagimit në skemën aktuale të reagimit është e veçantë nga homologët e mëparshëm të bazuar në CVD që përdorin katalizatorë metalikë dhe luan një rol kyç në prodhimin e një asamblesh grafen–SiO  me strukturë hierarkike 3D. 1 20 21 22 2 x Një seri analizash me mikroskop skanues elektronik (SEM) (Figurë Plotësuese  ) dhe mikroskop elektronik transmetues (TEM) (Figurë  ) 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 shtresë u vëzhgua vagullisht përgjatë sipërfaqes së SiO2 (Figurë  , e), me ngjyrën e pluhurit që u bë e zezë (Figurë Plotësuese  ). Rritja e grafitit u bë më e dukshme pas 30 minutash procesi CVD, ku morfologjia 3D e fletës ishte qartësisht e dukshme (Figurë  , f). Imazhi TEM me zmadhim të lartë (Figurë  ) kap renditjen atomike gjashtëkëndore në një seksion të grafitit, të cilat pasqyrojnë planin e saj bazë. Pas 30 minutash, u vëzhgua gjithashtu se madhësia e nanogërmimeve SiO2 zvogëlua nga 28.2 në 15.3 nm mesatarisht (Figurë Plotësuese  ). 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 kokrrat e misrit që zgjerohen në strukturën e trashë 3D, prodhuar në kurriz të bërthamave origjinale (Figurë  ). 3a–f 1a–g 1b 3g 1c 1g 4 1h   Rritja e grafitit nga nanogërmimet SiO2.  –  Karakterizimi TEM   para rritjes CVD,   pas 5 min rritje, dhe   pas 30 min rritje (shkallë matëse, 50 nm).  –  Imazhet e tyre përkatëse të zmadhuara (shkallë matëse, 10 nm).   Imazh me zmadhim më të lartë i grafitit pas 30 min rritje dhe pamja e tij në nivel atomik nga kutia e bardhë (shtojcë) (shkallë matëse, 2 nm).   Ilustrim grafik i rritjes së grafitit si kokërr misri nga nanogërmimet SiO2 a c a b c d f g h Rritja e grafitit u sqarua më tej nga një seri analizash shtesë. Spektra e difraksionit të rrezeve X (XRD) të marra gjatë rritjes tregojnë se ndërsa procesi CVD përparon, pikat në 2  = 26.44° dhe 44°, që korrespondojnë me planët (002) dhe (101) të grafitit, u rritën vazhdimisht (Figurë  ), 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 spekroskopisë fotoelektronike të rrezeve X (XPS) (Figurë  ) , . Pika në 284.5 eV i është caktuar lidhjeve C–C dhe C=C, të cilat u shfaqën në mënyrë të spikatur pas 30 minutash rritje për shkak të formimit të karbonit grafitik. Pikat progresive XPS në degën Si 1s të analizës XPS (Figurë  ) rikonfirmojnë  reduktimin e SiO2 gjatë procesit CVD. Me rritjen e kohës së rritjes, pika afër 103 eV u zhvendos drejt energjive më të ulëta të lidhjes për shkak të gjendjes më të ulët të oksidimit të Si. Bazuar në praninë dhe intensitetin e sinjalit të karbonit në hartën elementare të X-ray të emetuar nga elektroneve (EDX) (Figurë  ), u zbulua se edhe pas 5 minutash, rritja e grafitit ndodhi përgjatë sipërfaqes së SiO  , 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 ekspozuar dhe përçueshmërisë së GB në kohë të ndryshme rritjeje CVD janë përmbledhur në Tabelën  . Sa i përket sipërfaqes specifike të ekspozuar, zvogëlimi i saj me rritjen e kohës së reagimit i atribuohet grafitizimit progresiv gjatë të cilit shtresat e grafitit bashkohen dhe grumbullohen. Analizat e detajuara Raman dhe termogravimetrike (TG) janë paraqitur në Figurën Plotësuese  . θ 2a 23 24 25 2b 22 23 2c 25 2d–g x 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.  –  Hartëzimi elementar EDX në lidhje me C, O, dhe Si pas  ,   5 min dhe  ,   30 min rritje grafiti nga SiO2 (shkallë matëse, 50 nm) a c a b c d g d e f g Mbulesa e topit të grafitit në material katodik të pasur me Ni Për shkak të morfologjisë së tij me shtresa me trashësi atomike, grafiti është konsideruar si një nga materialet më ideale për mbulesë mbrojtëse sipërfaqësore të materialeve katodike me kapacitet të lartë. Megjithatë, në rastin e proceseve të njohura të tretësirave , , ,  bazuar në metodën Hummer, arritja e një mbulese uniforme me një përmbajtje të kufizuar grafiti nuk është e thjeshtë për shkak të aglomerimit, i cili lind nga ndërveprimi i fortë elektrostatik midis fletëve të grafitit. Në një përpjekje për të kapërcyer problemet e aglomerimit, është paraqitur një qasje tjetër, siç është copëtimi i grafitit duke përdorur një proces bluarje me top . Megjithatë, ky proces zakonisht është i ngadaltë (>6 orë) dhe, më kritike, mund të dëmtojë kristalinitetin e materialit bazë. Duhet gjithashtu të theksohet se mbulesa me karbon amorf me procese CVD nuk është e zbatueshme për materiale oksidi të pasura me Ni ,  sepse proceset CVD nxjerrin metale tranzicionale (TM), duke prishur strukturën origjinale kristalore të materialit bazë. 26 27 28 29 30 31 32 Në kontrast, GB i 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 përmes një procesi të butë bluarje Nobilta. Procesi i mbulesës është gjithashtu mjaft i shpejtë (~10 min në 3000 rpm). Fidesit SiO  luajnë një rol kyç në mundësimin e kësaj mbulese uniforme në përmbajtje të ulëta peshe. Fidesit SiO  përbëjnë 57.5% peshë të GB (rezultat TG në Figurën Plotësuese  ) dhe në procesin e mbulesës, prania e tyre lejon që GB të ushtrojë një forcë prerëse në sipërfaqen e LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2, duke prodhuar ndërveprim intim dhe madje depërtim. Për të konfirmuar këtë fenomen, u krye i njëjti proces mbulese me një përzierje fizike prej 0.5% SiO2 dhe 0.5% grafeni. Ky mostër pësoi dëmtim krist x x 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 e shpejtë, Jetë më e gjatë: Truku i Grafenës 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