```html
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Autori: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 In Hyuk Son Jong Hwan Park Seongyong Park Kwangjin Park Sangil Han Jaeho Shin Seok-Gwang Doo Yunil Hwang Hyuk Chang Jang Wook Choi Sažetak Poboljšanje jednog svojstva bez žrtvovanja drugih je izazovno za litijum-jonske baterije zbog prirode kompromisa među ključnim parametrima. Ovde izveštavamo o procesu hemijskog taloženja iz gasne faze (CVD) za rast sklopa grafena–silicijum dioksida, nazvanog grafenska kugla. Njegova hijerarhijska trodimenzionalna struktura sa centrom od nanočestica silicijum oksida omogućava da se čak 1 wt% grafenske kugle ravnomerno obloži na niklom bogatu slojevitu katodu putem skalabilnog Nobilta mlevenja. Premaz grafenskom kuglom poboljšava životni vek ciklusa i sposobnost brzog punjenja potiskivanjem štetnih sporednih reakcija i obezbeđivanjem efikasnih provodnih puteva. Sama grafenska kugla takođe služi kao anodni materijal sa visokim specifičnim kapacitetom od 716,2 mAh g−1. Puna ćelija koja uključuje grafenske kugle povećava gustinu volumetrijske energije za 27,6% u poređenju sa kontrolnom ćelijom bez grafenskih kugli, pokazujući mogućnost postizanja 800 Wh L−1 u komercijalnom podešavanju ćelije, zajedno sa visokom cikličnošću od 78,6% zadržavanja kapaciteta nakon 500 ciklusa pri 5C i 60 °C. Uvod Tekući razvoj litijum-jonskih baterija (LIB) rezultirao je izvanrednim poboljšanjima u različitim aspektima njihovog rada, uključujući gustinu energije, gustinu snage, životni vek ciklusa i sigurnost. Trenutno, mobilni IT uređaji čine značajan deo primena LIB, gde su radne specifikacije trenutnih najsavremenijih LIB uglavnom zadovoljavajuće , , . Međutim, kako su električna vozila (EV) prodrla na tržišta LIB, ključna elektropneumatska svojstva postavila su zahtevnije standarde; dok su veće gustine energije poželjne za povećan domet vožnje, poboljšana kinetika reakcija je neophodna za brzo punjenje i operacije pri visokim brzinama. Sigurnost je takođe definitivno ključni faktor za primene EV. Ogroman izazov leži u prevazilaženju odnosa kompromisa među ovim ključnim svojstvima; obično nije lako poboljšati jedno svojstvo bez žrtvovanja drugih. 1 2 3 Takav odnos kompromisa je posebno očigledan između gustine energije i brzog punjenja (ili mogućnosti snage). Dok su upotreba nanomaterijala kao aktivnih komponenti ,  i uključivanje ugljeničnih nanomaterijala , ,  kao provodnih agenasa pokazali poboljšane brzine punjenja smanjenjem rastojanja difuzije jona i unutrašnjeg otpora, većina tih pristupa još uvek zahteva dalje poboljšanje pre nego što se mogu implementirati u trenutnu LIB tehnologiju. Tap-gustine nanomaterijala su znatno niže od gustina konvencionalnih mikročestica, što je štetno za gustinu volumetrijske energije, ključni faktor za mnoge primene LIB u odnosu na gravimetrijski. U sličnom kontekstu ka smanjenju unutrašnjeg otpora, integracija ugljeničnih nanomaterijala kao što je grafen pokazala se efikasnom u povećanju električne provodljivosti laboratorijskih elektroda. Međutim, postizanje uniformne distribucije male težinske količine (tj. <3 wt%) ugljeničnih nanomaterijala u procesu masovne proizvodnje gnoja još uvek nije demonstrirano. Modifikacija postojećih aktivnih materijala dopiranjem stranim elementima ,  ili stehiometrijskom kontrolom , ,  takođe može povećati difuzivnost Li jona i time brzinu punjenja konvencionalnih aktivnih materijala dimezija mikrometra. Većina tih pristupa je, međutim, efikasna po cenu specifičnog kapaciteta. 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Štaviše, pored gustine energije i brzog punjenja, postizanje dugog životnog veka ciklusa, posebno na visokim temperaturama (tj. 60 °C), i dalje predstavlja izazov za napredne LIB koje uključuju materijale elektroda visokog kapaciteta. Dok se niklom (Ni)-bogati i Li-bogati slojeviti oksidi materijali smatraju budućim katodnim materijalima zbog svojih superiornih specifičnih kapaciteta u poređenju sa klasičnim LiCoO2 parnjacima, dobro je poznato da neizbežno mešanje kationa tokom punjenja degradira slojevitu strukturu do spinelnih ili kamenih struktura, zajedno sa neželjenim sporednim reakcijama na površini elektrode. Uzimajući u obzir do sada uložene napore, jedno od najrealističnijih rešenja za trenutno postizanje brzog punjenja katodnih materijala sa zanemarljivim gubitkom gustine energije i životnog veka ciklusa uključuje pronalaženje provodnih zaštitnih materijala koji se mogu ravnomerno obložiti na aktivne materijale sa minimalnim sadržajem. Pronalaženje naprednih anodnih materijala je takođe neophodno jer trenutni grafitni anodi pate od taloženja Li metala pri punjenju visokom brzinom. Ovde izveštavamo o sklopu grafena–silicijum dioksida (SiO   ), nazvanom grafenska kugla (GB), kao materijalu za premazivanje slojevitih katodnih materijala bogatih niklom visokog kapaciteta, kao i anodnog materijala za LIB. Svaka GB sastoji se od centra nanočestica SiO   i okolnih grafenskih slojeva, čineći trodimenzionalnu (3D) strukturu nalik kokici. SiO   nanočestice igraju ključnu ulogu u više aspekata, kao što je izbegavanje formiranja sloja silicijum karbida (SiC) na interfejsu SiO   –grafen tokom rasta grafena, osiguravanje ravnomernog oblaganja GB na katodni materijal i obezbeđivanje visokog specifičnog kapaciteta kada se GB koristi kao anodni materijal. Ravnomerno oblaganje GB na niklom bogatu slojevitu katodu poboljšava stabilnost interfejsa sa elektrolitom i elektronsku provodljivost preko elektrode, značajno poboljšavajući cikličnost i sposobnost brzog punjenja katode. Uzimajući u obzir jedinstvene prednosti GB, puna ćelija koja se sastoji od katode obložene GB i anode GB pokazuje mogućnost visoke gustine volumetrijske energije blizu 800 Wh L−1 u komercijalnom stanju ćelije, zajedno sa 78,6% zadržavanja kapaciteta nakon 500 ciklusa pri 5C i 60 °C. x x x x Rezultati Sinteza grafenske kugle Da bismo sintetizovali GB nalik kokici, razvili smo CVD proces za rast grafena. CH4 gas je doveden u peć u prisustvu SiO2 nanočestica prečnika 20–30 nm pri 1000 °C. Na ovoj temperaturi, CH4 se razlaže generišući vodonikove atome, koji naknadno mogu redukovati SiO2 u SiO   (  < 2). OH− se takođe istovremeno proizvodi kroz sledeću reakciju: x x Ključna karakteristika ove reakcije je da proizvedeni SiO   pruža katalitička mesta za rast grafena, a OH− služi kao blagi oksidans za olakšavanje formiranja grafitnog ugljenika ka grafenu , . Uloga blagih oksidansa u formiranju grafitnog ugljenika nedavno je racionalizovana  na način da, bez blagog oksidansa, formiranje amorfne ugljenika je dominantnije. Međutim, u prisustvu blagog oksidansa, otkriveno je da je reakcija ka formiranju CO ili CO2 preferirana za atome ugljenika koji bi inače evoluirali u amorfni ugljenik. U stvari, poznato je da se lak rast grafena korišćenjem metalnih katalizatora dešava na sličan način , , , gde preostali kiseonik na metalnoj površini dovodi do preferencijalne reakcije ka formiranju grafitnog ugljenika. Prisustvo blagog oksidansa sprečava formiranje sloja silicijum karbida (SiC) na površini SiO   jer oksidans sprečava redukciju Si ka formiranju SiC . x 14 15 16 17 18 19 x 19 U našoj šemi reakcije zasnovanoj na isključivom korišćenju CH4, na temperaturama ispod 900 °C, grafen je jedva rastao. Nasuprot tome, na 1050 °C i više, rast grafena je postao previše agresivan ka formiranju grafita (Dodatna slika  ). Značajno, temperatura rasta od 1000 °C je niža od onih (1100–1400 °C) koje se obično koriste za rast grafena zasnovan na CVD baziran na Si i SiO2 supstratima bez metalnih katalizatora , , . Ključna uloga okruženja rasta je razjašnjena kontrolnim eksperimentom (Dodatna slika  ); prateći konvencionalne CVD procese korišćenjem metalnih katalizatora, CH4 i H2 su dovođeni u zapreminskom protoku 3:7 pri 1000 °C. Budući da je razlaganje CH4 bilo otežano velikom količinom H2, rast grafena je bio veoma spor, što ukazuje na važnost isključivog korišćenja CH4 za efikasan rast grafena u našem protokolu sinteze. Sveukupno, izbor reaktanata i temperature reakcije u sadašnjoj šemi reakcije je različit od prethodnih CVD pandana koji koriste metalne katalizatore i igra ključnu ulogu u proizvodnji sklopa grafen–SiO   sa 3D hijerarhijskom strukturom. 1 20 21 22 2 x Serija skenirajuće elektronske mikroskopije (SEM) (Dodatna slika  ) i analize transmisijske elektronske mikroskopije (TEM) (Slika  ) sprovedene tokom CVD procesa odražavaju promene u rastu i morfologiji grafena. Nakon 5 min CVD procesa, tanki film grafena debljine 2–3 sloja bio je slabo vidljiv duž površine SiO2 (Slika  , e), sa bojom praha koja prelazi u crnu (Dodatna slika  ). Rast grafena je postao izraženiji nakon 30 min CVD procesa, gde je 3D struktura lista bila jasno vidljiva (Slika  , f). TEM slika visoke uvećanja (Slika  ) obuhvata heksagonalne atomističke rasporede u delu grafena, koji odražavaju njegovu bazalnu ravan. Nakon 30 min, takođe je primećeno da su se veličine SiO2 nanočestica prosečno smanjile sa 28,2 na 15,3 nm (Dodatna slika  ). Ovo se dogodilo jer rast grafena uključuje pomenutu redukciju SiO2 i naknadno formiranje OH−. Stoga, celokupan rast grafena je prilično analogan kokici koja se širi u 3D voluminoznoj strukturi, proizvedenoj na račun originalnih zrna (Slika  ). 3a–f 1a–g 1b 3g 1c 1g 4 1h   Rast grafena iz SiO2 nanočestica.  –  TEM karakterizacija   pre CVD rasta,   nakon 5 min rasta, i   nakon 30 min rasta (razmere, 50 nm).  –  Njihovi odgovarajući uvećani prikazi (razmere, 10 nm).   Prikaz veće uvećanja grafena nakon 30 min rasta i njegov atomski prikaz iz belog kvadrata (umetnuti) (razmere, 2 nm).   Grafička ilustracija rasta grafena nalik kokici iz SiO2 nanočestica. a c a b c d f g h Rast grafena je dalje razjašnjen serijom dodatnih analiza. XRD spektri dobijeni tokom rasta ukazuju da kako CVD proces napreduje, vrhovi na 2  = 26,44° i 44°, koji odgovaraju (002) i (101) ravnima grafita, kontinuirano rastu (Slika  ), ponovo podržavajući formiranje grafitnog ugljenika , , . Rast grafena je takođe bio odražen u vrhovima na 284,5 i 291,5 eV u C 1s grani XPS analize (slika  ) , . Vrh na 284,5 eV pripisan je C–C i C = C vezama, koje su se istaknuto pojavile nakon 30 min rasta zbog formiranja grafitnog ugljenika. Progresivni XPS vrhovi u Si 1s grani XPS analize (Slika  ) ponovo potvrđuju  redukciju SiO2 tokom CVD procesa. Sa povećanjem vremena rasta, vrh blizu 103 eV se pomerio na niže energije vezivanja zbog smanjenog oksidacionog stanja Si. Na osnovu prisustva i intenziteta signala ugljenika u EDX mapiranju (Slika  ), utvrđeno je da se čak i nakon 5 min, rast grafena odvijao duž površine SiO   , i nakon 30 min, rast se proširio preko celog područja slike, dok su Si i O ostali homogeno raspoređeni. Težinski deo grafena, kao i rezultati Raman analize, specifične površine i provodljivosti GB pri različitim vremenima CVD rasta sažeti su u Tabeli  . Što se tiče specifične površine, njen pad sa povećanjem vremena reakcije pripisuje se progresivnoj grafitizaciji tokom koje se grafenski slojevi spajaju i slažu. Detaljni spektri Raman i termogravimetrijske (TG) analize predstavljeni su u Dodatnoj slici  . θ 2a 23 24 25 2b 22 23 2c 25 2d–g x 1 5   Analiza grafenske kugle tokom njenog rasta.  –  Praćenje rasta grafena tokom CVD procesa korišćenjem   XRD,  XPS u C 1s grani i   XPS Si 2p grani.  –  EDX elementalno mapiranje u odnosu na C, O i Si nakon  ,   5 min i  ,   30 min rasta grafena iz SiO2 (razmere, 50 nm). a c a b c d g d e f g Oblaganje grafenske kugle na niklom bogat katodni materijal Zbog svoje morfologije sa atomski tankim slojevima, grafen je smatran jednim od najidealnijih materijala za površinsko zaštitno oblaganje slojevitih katodnih materijala visokog kapaciteta. Međutim, u slučaju dobro poznatih procesa u rastvoru , , ,  baziranih na Hummerovoj metodi, postizanje uniformnog oblaganja sa ograničenom količinom grafena nije jednostavno zbog aglomeracije, koja proizilazi iz jake elektrostatičke interakcije između grafenskih listova. U nastojanju da se prevaziđe problem aglomeracije, uveden je drugačiji pristup, kao što je drobljenje grafita korišćenjem procesa mlevenja kuglom . Međutim, ovaj proces je obično spor (>6 h) i, što je kritičnije, može oštetiti kristalnost osnovnog materijala. Takođe treba napomenuti da nanošenje amorfne ugljenika procesima CVD nije primenljivo na niklom bogate oksidne materijale ,  jer CVD procesi ekstrahuju prelazne metale (TM), narušavajući originalnu kristalnu strukturu osnovnog materijala. 26 27 28 29 30 31 32 Nasuprot tome, sintetizovana GB u ovoj studiji može biti obložena na površini komercijalnog praha LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 (veličina = ~10 µm) pri minimalnom sadržaju od 1 wt% putem blagog Nobilta procesa mlevenja. Proces oblaganja je takođe prilično brz (~10 min pri 3000 rpm). SiO   semenke igraju ključnu ulogu omogućavajući ovo ravnomerno oblaganje pri niskim težinskim sadržajima. SiO   semenke čine 57,5 wt% GB (rezultat TG u Dodatnoj slici  ) i u procesu oblaganja, njihovo prisustvo omogućava GB da vrši smicanje na površinu LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2, proizvodeći intimnu interakciju i čak prodiranje. Da bi se potvrdio ovaj fenomen, isti proces oblaganja je izveden sa fizičkom smešom 0,5 wt% SiO2 i 0,5 wt% grafena. Ovaj uzorak je pretrpeo kristalna oštećenja na površinskoj regiji NCM-a zbog agresivnih sudara između čestica LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 kao i između čestica LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 i zida reaktora (Dodatna slika  ). Ovi fenomeni su pojačani aglomeracijom grafena koja se dogodila u odsustvu 3D hijerarhijskih struktura koje sadrže SiO   centri čestica. x x 5b 6 x Ravnomerno oblaganje GB potvrđeno je SEM i TEM analizama. Od sada, LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 pre i posle oblaganja GB označeni su kao originalni NCM i GB-NCM, respektivno. SEM slike niske uvećanosti NCM-a pre i posle oblaganja GB (Slika  , Dodatna slika  ) pokazale su veoma slične morfologije zbog ravnomernog rasporeda niske količine GB. Međutim, SEM slika veće uvećanosti GB-NCM-a ukazuje da je GB prodrla u prostore između primarnih čestica NCM-a (Slika  ). Prodiranje GB je jasnije uočeno na TEM slikama (Slika  , f). Na slici  , grafenski list je uočen u otvorenom prostoru iznad NCM čestice (vidi crvene isprekidane linije). Neki grafenski listovi su bili poravnati duž površine NCM-a i pokazivali su dosledno međuslojno rastojanje od 3,3 ili 3,4 Å (Slika  ). 3a, b 6a, b 3d 3e 3e 3f   Oblaganje GB na LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2. SEM slike LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2  ,   pre (razmere, 2 µm i 200 nm, respektivno) i  ,   nakon oblaganja GB (razmere,  a c b d

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

Овај аудио је произведен на оригиналном језику приче!

Brže punjenje, duži vek trajanja: Grafenski trik za unapređenje litijumskih baterija

About Author

КОМЕНТАРИ

ХАНГ ТАГС

ОВАЈ ЧЛАНАК ЈЕ ПРЕДСТАВЉЕН У

Related Stories

Building the Cloud Future: Sreedevi Velagala's Trek in AWS Architecture

Sravana Kumar Reddy Yeruva’s Fusion Transformation Sets a New Standard in ERP Excellence

Leadership Success Story: Srinath Muralinathan's Transformative Projects at Amazon

Building a website with React and Bulma

Building the Cloud Future: Sreedevi Velagala's Trek in AWS Architecture

Sravana Kumar Reddy Yeruva’s Fusion Transformation Sets a New Standard in ERP Excellence

Leadership Success Story: Srinath Muralinathan's Transformative Projects at Amazon

Building a website with React and Bulma

Light-Mode

Classic

Newspaper

Minty

Dark-Mode

Neon Noir

Minty

HN StartUps