
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 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 me avull kimik për rritjen e një asamblesh grafen–silicë, të quajtur top grafeni. Struktura e tij hierarkike tredimensionale me qendrën e nanoparticleve të oksidit të silikonit lejon që edhe 1% peshë e topit të grafenës të mbulohet në mënyrë uniforme në një katodë shtresore të pasur me nikël përmes bluarjes së Nobilta-së. Mbulesa me top grafeni përmirëson jetëgjatësinë e ciklit dhe aftësinë e karikimit të shpejtë duke shtypur reaksionet anësore të dëmshme dhe duke ofruar shtigje efektive përçuese. Vetë topi i grafenës 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 vëllimore 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, jetëgjatësinë e ciklit dhe sigurinë. Aktualisht, pajisjet IT mobile përbëjnë një pjesë të konsiderueshme të aplikimeve LIB, ku specifikimet e funksionimit të LIB-ve më të avancuara janë kryesisht të kënaqshme , , . Megjithatë, ndërsa automjetet elektrike (EVs) kanë depërtuar në tregjet e LIB-ve, vetitë kryesore elektrokimike kanë vendosur standarde më sfiduese; ndërsa dëshirohen dendësi më të larta energjie për kilometrazh më të shtuar, kërkohet kinetikë e përmirësuar e reagimeve për karikim të shpejtë dhe operacione me shpejtësi të lartë. Siguria është gjithashtu padyshim një faktor kritik për aplikimet e EV-ve. Një sfidë e frikshme qëndron në kapërcimin e marrëdhënies së kompromisit midis këtyre vetive kryesore; zakonisht nuk është e lehtë të përmirësosh 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 jonit dhe rezistencën e brendshme, shumica e këtyre qasjeve ende kërkojnë përmirësim të mëtejshëm para se të mund të zbatohen në teknologjinë aktuale të LIB. Dendësitë e tapeteve të nanomaterialeve janë shumë më të ulëta se ato të grimcave mikroskopike konvencionale, gjë që është e dëmshme për dendësinë volumore të energjisë, një faktor krucial 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 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 shpejtësinë e karikimit të materialeve aktive konvencionale me dimensione mikrometrash. Megjithatë, shumica e këtyre qasjeve 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 ende një sfidë për LIB-të e avancuara që përfshijnë materiale elektrodi me kapacitet të lartë. Ndërsa materialet okside shtresore të pasura me Ni (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 spleti ose kripëra gurore, së bashku me reaksione anësore të padëshiruara në sipërfaqen e elektrodës. Duke marrë parasysh përpjekjet e ndërmarra deri tani, një nga zgjidhjet më realiste për arritjen e menjëhershme të karikimit të 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 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 metalit 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 materialet katodike 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) si kokosh. Nanopartikulat SiO x luajnë një rol thelbësor në aspekte të shumta, siç është shmangia e formimit të një shtrese karabit silici (SiC) në ndërfaqen SiO x –grafen gjatë rritjes së grafenit, sigurimi i mbulesës uniforme të GB mbi 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 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 energjie vëllimore afër 800 Wh L−1 në kushtet e një qelize komerciale, së bashku me 78,6% mbajtjeje kapaciteti pas 500 cikleve në 5C dhe 60 °C. Rezultate Sintesa e topit të grafenës Për të sintetizuar GB-në si kokosh, ne zhvilluam një proces depozitimi me avull kimik (CVD) për rritjen e grafenit. Gazi CH4 u fut në një furrë në prani të nanoparticleve SiO2 me diametra prej 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 reagimit të mëposhtëm: Karakteristika kryesore në këtë reagim është se SiO x i prodhuar ofron vende katalitike për rritjen e grafenit, dhe OH− shërben si një oksidant i butë për të lehtësuar formimin e karbonit grafitik drejt grafenit , . 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 preferohet 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 e metalit çon në reagimin preferencial drejt formimit të karbonit grafitik. Prania e një oksidanti të butë parandalon formimin e shtresës së karabit silici (SiC) në sipërfaqen e SiO x sepse oksidanti 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 më lart, rritja e grafenit u bë shumë agresive drejt formimit të grafitit (Fig. Suplementare  ). Veçanërisht, 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 në 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 rrjedhjeje vëllimore 3:7 në 1000 °C. Për shkak se 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 në rritjen efikase të grafenit në protokollin tonë të sintezës. Në përgjithësi, zgjedhja e reagentëve dhe temperatura e 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 asamblesh grafen–SiO x me strukturën hierarkike 3D. 1 20 21 22 2 Një seri analizash mikroskopike me skanim elektronik (SEM) (Fig. Suplementare  ) dhe mikroskopike me transmetim elektronik (TEM) (Fig.  ) të kryera gjatë procesit CVD pasqyrojnë ndryshimet në rritjen dhe morfologjinë e grafenit. Pas 5 minutash proces CVD, një film grafeni me trashësi 2–3 shtresa u vëzhgua vagullisht përgjatë sipërfaqes së SiO2 (Fig.  , e), me ngjyrën e pluhurit që u bë e zezë (Fig. Suplementare  ). Rritja e grafenit u bë më e dukshme pas 30 minutash proces CVD, ku morfologjia 3D e fletës ishte qartësisht e dukshme (Fig.  , f). Imazhi TEM me zmadhim të lartë (Fig.  ) kap organizimin heksagonal të atomit në një pjesë të grafenit, që pasqyron planin bazë të tij. Pas 30 minutash, u vëzhgua gjithashtu se madhësitë e nanoparticleve SiO2 u ulën nga 28,2 në 15,3 nm mesatarisht (Fig. Suplementare  ). Kjo ndodhi sepse rritja e grafenit përfshin reduktimin e mëparshëm të SiO2 dhe formimin pasues të OH−. Prandaj, rritja e përgjithshme e grafenit është mjaft analoge me kokosh që zgjerohet në strukturën masive 3D, prodhuar në kurriz të kokrrave origjinale (Fig.  ). 3a–f 1a–g 1b 3g 1c 1g 4 1h   Rritja e grafenit nga nanopartikulat SiO2.  –  Karakterizimi TEM   para rritjes CVD,   pas 5 minutash rritje, dhe   pas 30 minutash rritje (shkallët, 50 nm).  –  Imazhet e tyre respektive të zmadhuara (shkallët, 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) (shkalla, 2 nm).   Ilustrim grafik i rritjes së grafenit si kokosh nga nanopartikulat SiO2 a c a b c d f g h Rritja e grafenit u sqarua 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 planet (002) dhe (101) të grafitit, u rritën vazhdimisht (Fig.  ), 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 spekroskopisë fotoelektronike 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 rritje 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 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 energjisë dispersive X (EDX) (Fig.  ), u gjet se edhe pas 5 minutash, rritja e grafenit vërtet 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 grafenit, dhe rezultatet e analizës Raman, sipërfaqes specifike dhe përçueshmërisë së GB në kohë të ndryshme rritjeje CVD janë përmbledhur në Tabelën  . 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. Spektra e detajuara të analizave Raman dhe termogravimetrike (TG) janë paraqitur në Fig. Suplementare  . 2a 23 24 25 2b 22 23 2c 25 2d–g 1 5   Analiza e topit të grafenës gjatë rritjes së tij.  –  Monitorimi i rritjes së grafenit gjatë procesit CVD duke përdorur   XRD,   XPS në degën C 1s, dhe   XPS në degën Si 2p.  –  Hartëzimi elementar EDX në lidhje me C, O, dhe Si pas  ,   5 minutash dhe  ,   30 minutash rritje grafeni nga SiO2 (shkallët, 50 nm) a c a b c d g d e f g Mbulesa e topit të grafenës në materialin katodik të pasur me Ni Për shkak të formës së tij atomike të shtresuar, grafeni është konsideruar si një nga materialet më ideale për mbulesën mbrojtëse sipërfaqësore të materialeve katodike shtresore me kapacitet të lartë. Megjithatë, në rastin e proceseve të njohura të zgjidhjes , , ,  bazuar në metodën e Hummer, arritja e një mbulese uniforme me një përmbajtje të kufizuar grafeni është jo triviale për shkak të aglomerimit, i cili lind nga ndërveprimi i fortë elektrostatik midis fletave të grafenit. Në një përpjekje për të kapërcyer problemet e aglomerimit, është prezantuar një qasje e ndryshme, siç është bluarja e 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 bazë. Duhet gjithashtu të theksohet se mbulesa me karbon amorf nga proceset CVD nuk është e zbatueshme për materialet okside të pasura me Ni ,  sepse proceset CVD nxjerrin metale tranzicionale (TMs), duke prishur 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% peshë përmes një procesi të butë bluarjeje Nobilta. Procesi i mbulesës është gjithashtu mjaft i shpejtë (~10 min në 3000 rpm). Frijkët SiO x luajnë një rol kyç duke mundësuar këtë mbulesë uniforme në përmbajtje të ulëta peshe. Frijkët SiO x përbëjnë 57,5% 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 edhe depërtim. Për të konfirmuar këtë fenomen, i njëjti proces mbulese u krye me një përzierje fizike prej 0,5% peshë SiO2 dhe 0,5% peshë grafeni. Ky kampion pësoi dëmtim kristalor 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. Suplementare  ). Këto fenomene u përforcuan nga aglomerimi i grafenit që ndodhi në mungesë të strukturave hierarkike 3D që përmbajnë qendra nanoparticle SiO x. 5b 6 Mbulesa uniforme e GB u konfirmua nga analizat SEM dhe TEM. Më poshtë, LiNi0.6Co0.1Mn0.3

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!

Ngarkim më të shpejtë, Jetë më të gjatë: Sekreti 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