```html
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Waandishi: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 In Hyuk Son Jong Hwan Park Seongyong Park Kwangjin Park Sangil Han Jaeho Shin Seok-Gwang Doo Yunil Hwang Hyuk Chang Jang Wook Choi Muhtasari Kuboresha sifa moja bila kuathiri zingine ni changamoto kwa betri za lithiamu-ioni kutokana na asili ya biashara kati ya vigezo muhimu. Hapa tunaripoti mchakato wa upanzi wa mvuke wa kemikali ili kukua mkusanyiko wa grafini–silika, unaojulikana kama mpira wa grafini. Muundo wake wa juu wa pande tatu na kituo cha nano-particulate cha oksidi ya silikoni huruhusu hata 1% ya uzito wa mpira wa grafini kupakwa kwa usawa kwenye katodi yenye tabaka nyingi zilizo na nikeli nyingi kupitia utengenezaji wa Nobilta unaoweza kuongezeka. Upakaji wa mpira wa grafini huboresha maisha ya mzunguko na uwezo wa kuchaji haraka kwa kukandamiza mmenyuko mbaya wa pembeni na kutoa njia bora za kuendesha umeme. Mpira wa grafini wenyewe pia hutumika kama nyenzo ya anodi yenye uwezo maalum wa juu wa 716.2 mAh g−1. Kiini kamili kinachojumuisha mipira ya grafini huongeza msongamano wa nishati ya kiasi kwa 27.6% ikilinganishwa na kiini cha kudhibiti bila mipira ya grafini, ikionyesha uwezekano wa kufikia 800 Wh L−1 katika mpangilio wa kiini cha kibiashara, pamoja na uwezo wa juu wa mzunguko wa 78.6% wa uhifadhi wa uwezo baada ya mizunguko 500 kwa 5C na 60 °C. Utangulizi Maendeleo yanayoendelea ya betri za lithiamu-ioni (LIBs) yamesababisha maboresho ya ajabu katika mambo mbalimbali ya uendeshaji wao, ikiwa ni pamoja na msongamano wa nishati, msongamano wa nguvu, maisha ya mzunguko, na usalama. Kwa sasa, vifaa vya IT vya mkononi vinachukua sehemu kubwa ya matumizi ya LIB, ambapo vipimo vya uendeshaji vya LIB za kisasa za kisasa zimeridhisha zaidi , , . Hata hivyo, kadiri magari ya umeme (EVs) yanavyoingia katika masoko ya LIB, sifa muhimu za kielektroniki zimeleta viwango vinavyoingia changamoto zaidi; wakati msongamano wa juu wa nishati unahitajika kwa kuongeza umbali wa kusafiri, uhamishaji wa kemia ulioimarishwa unahitajika kwa kuchaji haraka na operesheni za kiwango cha juu. Usalama pia ni jambo muhimu sana kwa matumizi ya EV. Changamoto kubwa iko katika kushinda uhusiano wa biashara kati ya sifa hizi muhimu; kwa kawaida si rahisi kuboresha sifa moja bila kuathiri zingine. 1 2 3 Uhuisiano huo wa biashara unaonekana wazi kati ya msongamano wa nishati na kuchaji haraka (au uwezo wa nguvu). Wakati matumizi ya nanomaterials kama vipengele amilifu ,  na ujumuishaji wa nanomaterials za kaboni , ,  kama mawakala wa kuendesha umeme wameonyesha viwango vya juu vya kuchaji kwa kupunguza umbali wa utawanyiko wa ioni na upinzani wa ndani, njia nyingi hizo bado zinahitaji maboresho zaidi kabla hazijatumika katika teknolojia ya sasa ya LIB. Uzito wa nanomaterials ni wa chini sana kuliko ule wa chembechembe za kawaida za mikro, jambo ambalo huathiri vibaya msongamano wa nishati ya kiasi, jambo muhimu kwa matumizi mengi ya LIB kuliko jambo la uzito. Katika muktadha sawa kuelekea kupunguza upinzani wa ndani, ujumuishaji wa nanomaterials za kaboni kama grafini umeonekana kuwa mzuri katika kuongeza upitishaji wa umeme wa elektrodi za kiwango cha maabara. Hata hivyo, kufikia usambazaji sare wa maudhui madogo ya uzito (yaani, <3% ya uzito) ya nanomaterials za kaboni katika mchakato wa kiasi kikubwa wa slurry bado haujaonyeshwa. Marekebisho ya nyenzo amilifu zilizopo kwa kuchovya na vipengele vya kigeni ,  au udhibiti wa stoichiometry , ,  pia inaweza kuongeza utawanyiko wa ioni za Li na hivyo kasi ya kuchaji ya nyenzo amilifu za kawaida zenye vipimo vya mikromita. Njia nyingi hizo, hata hivyo, huathiri uwezo maalum. 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Zaidi ya hayo, kando na msongamano wa nishati na kuchaji haraka, kufikia maisha marefu ya mzunguko, hasa kwenye joto la juu (yaani, 60 °C), bado kunabaki kuwa changamoto kwa LIB za juu zinazojumuisha nyenzo za elektrodi zenye uwezo wa juu. Wakati oksidi zenye nikeli nyingi (Ni) na lithiamu nyingi zenye tabaka nyingi zinachukuliwa kama nyenzo za katodi zinazoendelea kuibuka kwa sababu ya uwezo wao maalum wa juu ukilinganishwa na zile za LiCoO2 za kawaida, inajulikana kuwa uchanganyaji wa kationi usioepukika wakati wa kuchaji huharibu mfumo wa tabaka kuwa miundo ya spineli au miamba ya chumvi, pamoja na mmenyuko mbaya usiohitajika kwenye uso wa elektrodi. Kwa kuzingatia juhudi zilizofanywa hadi sasa, mojawapo ya suluhisho za kweli zaidi za kufikia haraka kuchaji nyenzo za katodi kwa hasara ndogo katika msongamano wa nishati na maisha ya mzunguko inahusisha kutafuta nyenzo za kinga zenye ufanisi ambazo zinaweza kupakwa kwa usawa kwenye nyenzo amilifu kwa maudhui madogo. Kutafuta nyenzo za juu za anodi pia ni muhimu kwa sababu anodi za grafiti za sasa zinakabiliwa na utumiaji wa lithiamu wakati wa kuchaji kwa kasi ya juu. Hapa tunaripoti mkusanyiko wa grafini–silika (SiO   ), unaojulikana kama mpira wa grafini (GB), kama nyenzo ya upakaji kwa nyenzo za katodi za nikeli-tajiri zenye uwezo wa juu na pia kama nyenzo ya anodi ya LIB. Kila GB inajumuisha kituo cha nano-particulate cha SiO   na tabaka za grafini zinazozunguka, zinazounda muundo wa pande tatu (3D) unaofanana na popcorn. Nano-particulate za SiO   zina jukumu muhimu katika vipengele vingi, kama vile kuepusha malezi ya safu ya kaboni ya silikoni (SiC) kwenye kiunganishi cha SiO   –grafini wakati wa ukuaji wa grafini, kuhakikisha upakaji sare wa GB kwenye nyenzo ya katodi, na kutoa uwezo maalum wa juu wakati GB inatumiwa kama nyenzo ya anodi. Upakaji sare wa GB kwenye katodi yenye nikeli nyingi huongeza utulivu wa kiunganishi na elektroliti na upitishaji wa umeme kwenye elektrodi, na kuboresha kwa kiasi kikubwa uwezo wa mzunguko na kuchaji haraka kwa katodi. Kwa kuchukua faida za kipekee za GB, kiini kamili kinachojumuisha katodi iliyopakwa GB na anodi ya GB kinaonyesha uwezekano wa msongamano wa juu wa nishati ya kiasi karibu na 800 Wh L−1 katika hali ya kiini cha kibiashara, pamoja na 78.6% ya uhifadhi wa uwezo baada ya mizunguko 500 kwa 5C na 60 °C. x x x x Matokeo Uzalishaji wa mpira wa grafini Ili kuzalisha GB yenye umbo la popcorn, tuliunda mchakato wa upanzi wa mvuke wa kemikali (CVD) kwa ukuaji wa grafini. Gesi ya CH4 ilitolewa kwenye tanuri mbele ya nano-particulate za SiO2 zenye kipenyo cha 20–30 nm kwa 1000 °C. Kwa joto hili, CH4 imevunjwa ili kutoa atomi za hidrojeni, ambazo zinaweza kupunguza SiO2 hadi SiO   (  <2). OH− pia hutolewa kwa wakati mmoja kupitia mmenyuko ufuatao: x x Kipengele muhimu katika mmenyuko huu ni kwamba SiO   iliyozalishwa hutoa maeneo ya kichocheo kwa ukuaji wa grafini, na OH− hufanya kazi kama kioksidishaji laini ili kuwezesha malezi ya kaboni ya grafiti kuelekea grafini , . Jukumu la vioksidishaji laini kwenye malezi ya kaboni ya grafiti limefafanuliwa hivi karibuni  kwa njia ambayo, bila kioksidishaji laini, malezi ya kaboni amofasi ni kubwa zaidi. Hata hivyo, mbele ya kioksidishaji laini, iligunduliwa kuwa mmenyuko kuelekea malezi ya CO au CO2 unapendelewa kwa atomi za kaboni ambazo vinginevyo zingekuwa kaboni amofasi. Kwa kweli, ukuaji rahisi wa grafini kwa kutumia kichocheo cha chuma unajulikana kutokea kwa njia sawa , , , ambapo oksijeni iliyoachwa kwenye uso wa chuma husababisha mmenyuko unaopendelewa kuelekea malezi ya kaboni ya grafiti. Uwepo wa kioksidishaji laini huzuia malezi ya safu ya kaboni ya silikoni (SiC) kwenye uso wa SiO   kwa sababu kioksidishaji huzuia kupunguza Si kuelekea malezi ya SiC . x 14 15 16 17 18 19 x 19 Katika mpango wetu wa mmenyuko kulingana na matumizi ya kipekee ya CH4, kwenye joto chini ya 900 °C, grafini haikuota sana. Kinyume chake, kwa 1050 °C na zaidi, ukuaji wa grafini ulikuwa mkali sana kuelekea malezi ya grafiti (Takwimu ya ziada  ). Hasa, joto la ukuaji la 1000 °C ni la chini kuliko yale (1100–1400 °C) yanayotumiwa kwa kawaida kwa ukuaji wa grafini unaotokana na CVD unaotegemea mazingira ya Si na SiO2 bila vichocheo vya chuma , , . Jukumu muhimu la mazingira ya ukuaji lilifafanuliwa na jaribio la udhibiti (Takwimu ya ziada  ); kufuatia michakato ya kawaida ya CVD kwa kutumia vichocheo vya chuma, CH4 na H2 ilitolewa kwa uwiano wa mtiririko wa kiasi wa 3:7 kwa 1000 °C. Kwa sababu CH4 ilizuiliwa na H2 ndogo, ukuaji wa grafini ulikuwa polepole sana, ukionyesha umuhimu wa matumizi ya kipekee ya CH4 kwenye ukuaji wa grafini yenye ufanisi katika protokali yetu ya uzalishaji. Kwa ujumla, uchaguzi wa wazalishaji na joto la mmenyuko katika mpango wa sasa wa mmenyuko ni tofauti na zile za awali zinazotokana na CVD zinazotumia vichocheo vya chuma na huchukua jukumu muhimu katika kuzalisha mkusanyiko wa grafini–SiO   na muundo wa juu wa 3D. 1 20 21 22 2 x Mfululizo wa uchambuzi wa hadubini ya elektroni zinazochanganua (SEM) (Takwimu ya ziada  ) na hadubini ya elektroni zinazopitisha (TEM) (Mchoro  ) uliofanywa wakati wa mchakato wa CVD unaonyesha mabadiliko katika ukuaji na umbo la grafini. Baada ya dakika 5 za mchakato wa CVD, filamu ya grafini yenye unene wa tabaka 2–3 ilionekana kwa kiasi kwenye uso wa SiO2 (Mchoro  , e), huku rangi ya unga ikibadilika kuwa nyeusi (Takwimu ya ziada  ). Ukuaji wa grafini ulikuwa dhahiri zaidi baada ya dakika 30 za mchakato wa CVD, ambapo umbo la karatasi ya 3D lilikuwa dhahiri (Mchoro  , f). Picha ya TEM yenye kuvuta zaidi (Mchoro  ) inakamata mpangilio wa atomi wa hexagonal katika sehemu ya grafini, ambayo inaonyesha ndege yake ya msingi. Baada ya dakika 30, pia ilionekana kwamba ukubwa wa nano-particulate za SiO2 ulipungua kutoka 28.2 hadi 15.3 nm kwa wastani (Takwimu ya ziada  ). Hii ilitokea kwa sababu ukuaji wa grafini unajumuisha upunguzaji wa SiO2 ulioelezwa hapo juu na malezi ya OH− baadae. Kwa hivyo, ukuaji wa jumla wa grafini ni sawa na popcorn inayokua katika muundo wa bulky wa 3D, inayozalishwa kwa gharama ya kernel asili (Mchoro  ). 3a–f 1a–g 1b 3g 1c 1g 4 1h   Ukuaji wa grafini kutoka kwa nano-particulate za SiO2.  –  Uchambuzi wa TEM   kabla ya ukuaji wa CVD,   baada ya dakika 5 za ukuaji, na   baada ya dakika 30 za ukuaji (baari za mizani, 50 nm).  –  Picha zao zilizokuzwa husika (baari za mizani, 10 nm).   Picha yenye kuvuta zaidi ya grafini baada ya dakika 30 za ukuaji na mwonekano wake wa kiwango cha atomi kutoka kwenye kisanduku cheupe (kisanduku cha ndani) (baa ya mizani, 2 nm).   Michoro ya maelezo ya ukuaji wa grafini unaofanana na popcorn kutoka kwa nano-particulate za SiO2 a c a b c d f g h Ukuaji wa grafini ulifafanuliwa zaidi na mfululizo wa uchambuzi wa ziada. Milipuko ya mtawanyiko wa X-ray (XRD) iliyopatikana wakati wa ukuaji inaonyesha kuwa kadri mchakato wa CVD unavyoendelea, milipuko katika 2  = 26.44° na 44°, inayolingana na ndege (002) na (101) za grafiti, ilikua mfululizo (Mchoro  ), ikithibitisha tena malezi ya kaboni ya grafiti , , . Ukuaji wa grafini pia ulijitokeza katika milipuko katika 284.5 na 291.5 eV katika tawi la C 1s la uchambuzi wa X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) (Mchoro  ) , . Mpigo katika 284.5 eV unahusishwa na vifungo vya C–C na C = C, ambavyo vilitokea kwa nguvu baada ya dakika 30 za ukuaji kwa sababu ya malezi ya kaboni ya grafiti. Milipuko ya mfululizo ya XPS katika tawi la Si 1s la uchambuzi wa XPS (Mchoro  ) inathibitisha tena  upunguzaji wa SiO2 wakati wa mchakato wa CVD. Kwa kuongezeka kwa muda wa ukuaji, mpigo karibu na 103 eV ulihama kuelekea nishati za kufunga za chini kwa sababu ya kupungua kwa hali ya oksidi ya Si. Kulingana na uwepo na kiwango cha ishara ya kaboni katika ramani ya X-ray ya nishati inayotawanya (EDX) (Mchoro  ), iligunduliwa kuwa hata baada ya dakika 5, ukuaji wa grafini ulitokea kando ya uso wa SiO   , na baada ya dakika 30, ukuaji ulienea kwenye eneo lote la picha, wakati Si na O zilibaki zikigawanywa kwa usawa. Sehemu ya uzito ya grafini, na matokeo ya uchambuzi wa Raman, eneo maalum la uso, na upitishaji wa GB kwa muda tofauti wa ukuaji wa CVD zimefupishwa katika Jedwali  . Kuhusu eneo maalum la uso, upungufu wake na kuongezeka kwa muda wa mmenyuko unahusishwa na grafiti inayoendelea ambayo tabaka za grafini huungana na kuunganishwa. Uchambuzi wa kina wa Raman na thermogravimetric (TG) umeonyeshwa katika Takwimu ya ziada  . θ 2a 23 24 25 2b 22 23 2c 25 2d–g x 1 5   Uchambuzi wa mpira wa grafini wakati wa ukuaji wake.  –  Ufuatiliaji wa ukuaji wa grafini wakati wa mchakato wa CVD kwa kutumia   XRD,   XPS katika tawi la C 1s, na   Tawi la XPS la Si 2p.  –  Uchoraji wa vipengele vya EDX kwa kuzingatia C, O, na Si baada ya dakika  ,   5 na  ,   dakika 30 za ukuaji wa grafini kutoka SiO2 (baari za mizani, 50 nm) a c a b c d g d e f g Upakaji wa mpira wa grafini kwenye nyenzo ya katodi yenye nikeli nyingi Kwa sababu ya umbo lake lenye tabaka nusu-atomu, grafini imeonekana kama mojawapo ya nyenzo bora zaidi kwa upakaji wa kinga ya uso wa nyenzo za katodi zenye uwezo wa juu. Hata hivyo, katika kesi ya michakato ya suluhisho inayojulikana , , ,  inayotegemea njia ya Hummer, kufikia upakaji sare na maudhui madogo ya grafini si rahisi kwa sababu ya kuunganishwa, ambayo hutokana na mwingiliano wenye nguvu wa umeme kati ya karatasi za grafini. Kwa juhudi za kushinda tatizo la kuunganishwa, njia tofauti, kama vile kusagwa kwa grafiti kwa kutumia mchakato wa kusaga mpira, imeletwa . Hata hivyo, mchakato huu kwa kawaida ni wa polepole (>6 h) na, muhimu zaidi, unaweza kuharibu fuwele za nyenzo mwenyeji. Inapaswa pia kuzingatiwa kuwa upakaji wa kaboni amofasi kwa michakato ya CVD hauwezi kutumika kwa nyenzo za oksidi zilizo na nikeli nyingi ,  kwa sababu michakato ya CVD hut extract metali za mpito (TMs), ikisumbua muundo asili wa fuwele za nyenzo mwenyeji. 26 27 28 29 30 31 32 Kinyume chake, GB iliyotengenezwa katika utafiti huu inaweza kupakwa kwenye uso wa unga wa kawaida wa LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 (ukubwa = ~10 µm) kwa maudhui madogo ya 1% ya uzito kupitia mchakato laini wa kusaga wa Nobilta. Mchakato wa upakaji pia ni wa haraka (~10 min kwa 3000 rpm). Mbegu za SiO   huchukua jukumu muhimu katika kuwezesha upakaji huu sare kwa maudhui madogo ya uzito. Mbegu za SiO   huchukua 57.5% ya uzito wa GB (matokeo ya TG katika Takwimu ya ziada  ) na katika mchakato wa upakaji, uwepo wao huruhusu GB kutoa nguvu ya kukata kwenye uso wa LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2, ikitoa mwingiliano wa karibu na hata kupenya. Ili kuthibitisha jambo hili, mchakato sawa wa upakaji ulifanywa na mchanganyiko wa kimwili wa 0.5% ya uzito wa SiO2 na 0.5% ya uzito wa grafini. Sampuli hii ilikabiliwa na uharibifu wa fuwele kwenye eneo la uso la NCM kutokana na migongano mikali kati ya chembe za LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 na kati ya chembe za LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 na ukuta wa kichocheo (Takwimu ya ziada  ). Matukio haya yaliongezeka na kuunganishwa kwa grafini kulikotokea bila miundo ya juu ya 3D inayojumuisha vituo vya chembe za SiO   . x x 5b 6 x Upakaji sare wa GB ulithibitishwa na uchambuzi wa SEM na TEM. Kuanzia sasa, LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 kabla na baada ya kupakwa GB inajulikana kama NCM safi na GB-NCM, mtawalia. Picha za SEM za kiwango cha chini cha NCM kabla na baada ya kupakwa GB (Mchoro  , Takwimu ya ziada  ) zilionyesha maumbo sawa sana kwa sababu ya usambazaji sare wa GB yenye maudhui madogo. Hata hivyo, picha ya SEM yenye kuvuta zaidi ya GB-NCM inaonyesha kuwa GB im 3a, b 6a, b

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

Sauti hii imetolewa katika lugha asilia ya hadithi!

Chaji Haraka, Maisha Marefu: Hila ya Graphene Kuboresha Betri za Lithiamu

About Author

MAONI

HANG TAGS

MAKALA HII ILIWASILISHWA NDANI

Related Stories

Speed up Swift compile time

Master Crypto Security: Your Complete Guide to Safe Wallet Management

#ellenBrain Turns a Long Weekend Into: HackerNoon Swag Around the World

Jinsi $ TRUTH token ya Swarm Network inapanga kukabiliana na taarifa mbaya kupitia uhakiki wa Blockchain

Speed up Swift compile time

Master Crypto Security: Your Complete Guide to Safe Wallet Management

#ellenBrain Turns a Long Weekend Into: HackerNoon Swag Around the World

Jinsi $ TRUTH token ya Swarm Network inapanga kukabiliana na taarifa mbaya kupitia uhakiki wa Blockchain

Light-Mode

Classic

Newspaper

Minty

Dark-Mode

Neon Noir

Minty

HN StartUps