
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 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 mali moja bila kuathiri zingine ni changamoto kwa betri za ioni za lithiamu kutokana na asili ya kubadilishana kati ya vigezo muhimu. Hapa tunaripoti mchakato wa upachikaji wa mvuke wa kemikali ili kukua mkusanyiko wa grafiti-silika, unaoitwa mpira wa grafiti. Muundo wake wa tatu-dimensional na kituo cha nano-partikel za oksidi ya silikoni huruhusu hata 1% kwa uzito wa mpira wa grafiti kufunikwa kwa usawa kwenye katodi iliyo na nikeli nyingi kupitia utengenezaji wa Nobilta unaoweza kuongezeka. Kufunikwa kwa mpira wa grafiti huboresha maisha ya mzunguko na uwezo wa kuchaji haraka kwa kukandamiza athari mbaya za upande na kutoa njia za kawaida za kufanya kazi. Mpira wa grafiti yenyewe pia hutumika kama nyenzo ya anode na uwezo maalum wa juu wa 716.2 mAh g−1. Kiini kamili kinachojumuisha mipira ya grafiti huongeza msongamano wa nishati ya kiasi kwa 27.6% ikilinganishwa na kiini cha udhibiti bila mipira ya grafiti, ikionyesha uwezekano wa kufikia 800 Wh L−1 katika mpangilio wa kiini cha kibiashara, pamoja na uwezo wa juu wa 78.6% wa kuhifadhi baada ya mizunguko 500 kwa 5C na 60°C. Utangulizi Maendeleo yanayoendelea ya betri za ioni za lithiamu (LIBs) yamesababisha maboresho ya ajabu katika nyanja mbalimbali za 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 zaidi kwa kiasi kikubwa zinatosheleza , , . Hata hivyo, kadiri magari ya umeme (EVs) yanavyoingia katika masoko ya LIB, sifa muhimu za kikemikali zimeweka viwango vinavyohitaji zaidi; ingawa msongamano wa juu wa nishati unahitajika kwa mileage kubwa ya kuendesha gari, kinetiki za hisia zilizoimarishwa zinahitajika 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 kubadilishana kati ya sifa hizi muhimu; kwa kawaida si rahisi kuboresha sifa moja bila kuathiri zingine. 1 2 3 Uhusiano kama huo wa kubadilishana ni dhahiri hasa 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 kusisimua wameonyesha viwango vya kuchaji vilivyoboreshwa kwa kupunguza umbali wa utawanyiko wa ion na upinzani wa ndani, mbinu nyingi hizo bado zinahitaji uboreshaji zaidi kabla ya kuweza kutumiwa katika teknolojia ya sasa ya LIB. Uzito wa nanomaterials ni mdogo zaidi kuliko ule wa chembechembe ndogo za kawaida, ambayo huathiri vibaya msongamano wa nishati ya kiasi, jambo muhimu kwa matumizi mengi ya LIB kuliko kinyume chake. Kwa muktadha sawa kuelekea kupunguza upinzani wa ndani, ujumuishaji wa nanomaterials za kaboni kama vile grafiti umeonekana kuwa mzuri katika kuongeza conductivity ya umeme ya electrodes za kiwango cha maabara. Hata hivyo, kufikia usambazaji sare wa yaliyomo kidogo kwa uzito (yaani, <3 wt%) wa nanomaterials za kaboni katika mchakato wa slurry wa kiwango kikubwa bado haujaonyeshwa. Marekebisho ya nyenzo amilifu zilizopo kwa kuchovya na vipengele vya nje ,  au udhibiti wa stoichiometric , ,  unaweza pia kuongeza utawanyiko wa ioni za Li na hivyo kiwango cha kuchaji cha nyenzo amilifu za kawaida zenye vipimo vya mikrometa. Mbinu nyingi za hizo, hata hivyo, ni nzuri kwa gharama ya 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 kwa joto la juu (yaani, 60°C), bado kunasalia kuwa changamoto kwa LIB za hali ya juu zinazojumuisha nyenzo za electrode zenye uwezo wa juu. Wakati nyenzo za oksidi zenye nikeli nyingi (Ni) na lithiamu nyingi (Li) zinachukuliwa kama nyenzo za katodi zinazokuja kwa sababu ya uwezo wao maalum zaidi ikilinganishwa na zile za LiCoO2 za kawaida, inajulikana kuwa mchanganyiko usioepukiki wa cation wakati wa kuchaji huharibu muundo wa tabaka kuwa miundo ya spinel au mwamba, pamoja na athari mbaya za upande kwenye uso wa electrode. Kwa kuzingatia juhudi zilizofanywa hadi sasa, mojawapo ya suluhu halisi zaidi za kufikia haraka kuchaji nyenzo za katodi zenye upotezaji mdogo wa nishati na maisha ya mzunguko inahusisha kutafuta nyenzo za kinga zenye uwezo wa kufunikwa kwa usawa kwenye nyenzo amilifu kwa yaliyomo kidogo. Kutafuta nyenzo za hali ya juu za anode pia ni muhimu kwa sababu anodi za grafiti za sasa zinakabiliwa na utengenezaji wa Li metal wakati wa kuchaji kwa kiwango cha juu. Hapa tunaripoti mkusanyiko wa grafiti–silika (SiO   ) unaoitwa mpira wa grafiti (GB), kama nyenzo ya kufunika kwa nyenzo za katodi zenye nikeli nyingi zenye uwezo wa juu na pia kama nyenzo ya anode ya LIB. Kila GB inajumuisha kituo cha nano-partikel za SiO   na tabaka za grafiti zinazozunguka, zinazounda muundo wa tatu-dimensional (3D) unaofanana na popcorn. Nano-partikel za SiO   zina jukumu muhimu katika nyanja mbalimbali, kama vile kuepuka kuundwa kwa tabaka la kaboni ya silikoni (SiC) kwenye kiunganishi cha SiO   –grafiti wakati wa ukuaji wa grafiti, kuhakikisha kufunikwa kwa usawa kwa GB kwenye nyenzo ya katodi, na kutoa uwezo maalum wa juu wakati GB inatumiwa kama nyenzo ya anode. Kufunikwa kwa usawa kwa GB kwenye katodi yenye nikeli nyingi huboresha utulivu wa kiunganishi na elektroni inayofanya kazi juu ya electrode, kuboresha kwa kiasi kikubwa uwezo wa kurudia na kuchaji haraka kwa katodi. Kwa kuchukua faida za kipekee za GB, kiini kamili kinachojumuisha katodi iliyofunikwa kwa GB na anode ya GB huonyesha uwezekano wa msongamano wa juu wa nishati ya kiasi karibu na 800 Wh L−1 katika hali ya kiini cha kibiashara, pamoja na uhifadhi wa 78.6% baada ya mizunguko 500 kwa 5C na 60°C. x x x x Matokeo Uzalishaji wa mpira wa grafiti Ili kuzalisha GB inayofanana na popcorn, tuliendeleza mchakato wa upachikaji wa mvuke wa kemikali (CVD) kwa ukuaji wa grafiti. Gesi ya CH4 ililishwa kwenye tanuri mbele ya nano-partikel za SiO2 zenye kipenyo cha 20–30 nm kwa 1000°C. Kwa joto hili, CH4 imeharibiwa na kutoa atomi za hidrojeni, ambazo baadaye zinaweza kupunguza SiO2 menye SiO   (  < 2). OH− pia hutolewa wakati huo huo kupitia mmenyuko ufuatao: x x Kipengele kikuu katika mmenyuko huu ni kwamba SiO   iliyotolewa hutoa maeneo ya kichocheo kwa ukuaji wa grafiti, na OH− hutumika kama kioksidishaji chepesi ili kuwezesha utengenezaji wa kaboni ya grafiti kuelekea grafiti , . Jukumu la vioksidishaji vyepesi kwenye utengenezaji wa kaboni ya grafiti limekuwa la busara hivi karibuni  kwa njia ambayo, bila kioksidishaji chepesi, utengenezaji wa kaboni laini ni mkubwa zaidi. Hata hivyo, mbele ya kioksidishaji chepesi, iligunduliwa kuwa mmenyuko kuelekea utengenezaji wa CO au CO2 unapendelewa kwa atomi za kaboni ambazo vinginevyo zingeweza kutoa kaboni laini. Kwa kweli, ukuaji rahisi wa grafiti kwa kutumia kichocheo cha metali unajulikana kutokea kwa njia sawa , , , ambapo oksijeni iliyobaki kwenye uso wa metali huongoza kwenye mmenyuko unaopendelewa kuelekea utengenezaji wa kaboni ya grafiti. Uwepo wa kioksidishaji chepesi huzuia utengenezaji wa tabaka la kaboni ya silikoni (SiC) kwenye uso wa SiO   kwa sababu kioksidishaji huzuia upunguzaji wa Si kuelekea utengenezaji wa SiC . x 14 15 16 17 18 19 x 19 Katika mpango wetu wa mmenyuko kulingana na matumizi ya kipekee ya CH4, kwa joto chini ya 900°C, grafiti haikuongezeka karibu. Kinyume chake, kwa 1050°C na juu zaidi, ukuaji wa grafiti ulifanyika kwa kasi sana kuelekea utengenezaji wa grafiti (Kielelezo cha Nyongeza  ). Hasa, joto la ukuaji la 1000°C ni la chini kuliko yale (1100–1400°C) yanayotumiwa kawaida kwa ukuaji wa grafiti unaotokana na CVD unaotegemea substrates za Si na SiO2 bila vichocheo vya metali , , . Jukumu muhimu la mazingira ya ukuaji lilitafsiriwa na jaribio la udhibiti (Kielelezo cha Nyongeza  ); kufuatia michakato ya kawaida ya CVD kwa kutumia vichocheo vya metali, CH4 na H2 zililishwa kwa uwiano wa mtiririko wa kiasi wa 3:7 kwa 1000°C. Kwa sababu CH4 ilizuiliwa na kiasi kikubwa cha H2, ukuaji wa grafiti ulikuwa polepole sana, ikionyesha umuhimu wa matumizi ya kipekee ya CH4 kwenye ukuaji wa grafiti wenye ufanisi katika itifaki yetu ya uzalishaji. Kwa jumla, uchaguzi wa viungo na joto la mmenyuko katika mpango huu wa mmenyuko ni tofauti na zile za awali zinazotegemea CVD zinazotumia vichocheo vya metali na huchukua jukumu muhimu katika kuzalisha mkusanyiko wa grafiti–SiO   wenye muundo wa tatu-dimensional wa jumla. 1 20 21 22 2 x Mfululizo wa uchambuzi wa elektroni za skanning (SEM) (Kielelezo cha Nyongeza  ) na elektroni za kusambaza (TEM) (Kielelezo  ) uliofanywa wakati wa mchakato wa CVD unaonyesha mabadiliko katika ukuaji wa grafiti na umbo. Baada ya dakika 5 za mchakato wa CVD, filamu ya grafiti yenye unene wa tabaka 2–3 ilionekana kwa kiasi kwenye uso wa SiO2 (Kielelezo  , e), na rangi ya unga ikageuka kuwa nyeusi (Kielelezo cha Nyongeza  ). Ukuaji wa grafiti ulionekana zaidi baada ya dakika 30 za mchakato wa CVD, ambapo umbo la karatasi la 3D lilionekana wazi (Kielelezo  , f). Picha ya TEM ya ukuzaji wa juu (Kielelezo  ) inachukua mpangilio wa atomiki wa hexagonal katika sehemu ya grafiti, ambayo inaonyesha ndege yake kuu. Baada ya dakika 30, pia ilionekana kuwa ukubwa wa nano-partikel za SiO2 ulipungua kutoka wastani wa 28.2 hadi 15.3 nm (Kielelezo cha Nyongeza  ). Hii ilitokea kwa sababu ukuaji wa grafiti unahusisha upunguzaji wa SiO2 ulioelezwa hapo juu na utengenezaji wa OH− kufuatia. Kwa hivyo, ukuaji wa jumla wa grafiti ni sawa na popcorn inayoongezeka kwa muundo wa juu wa 3D, inayotengenezwa kwa gharama ya kernels asili (Kielelezo  ). 3a–f 1a–g 1b 3g 1c 1g 4 1h   Ukuaji wa grafiti kutoka nano-partikel za SiO2.  –  Tabia za TEM   kabla ya ukuaji wa CVD,  baada ya ukuaji wa dakika 5, na   baada ya ukuaji wa dakika 30 (baari za kiwango, 50 nm).  –  Picha zao za ukuzaji mtawalia (baari za kiwango, 10 nm).   Picha ya ukuzaji wa juu zaidi ya grafiti baada ya dakika 30 na mtazamo wake wa kiwango cha atomiki kutoka kisanduku cheupe (kichocheo) (bar ya kiwango, 2 nm).   Uchoro wa michoro wa ukuaji wa grafiti unaofanana na popcorn kutoka nano-partikel za SiO2 a c a b c d f g h Ukuaji wa grafiti ulifafanuliwa zaidi na mfululizo wa uchambuzi wa ziada. Spektra za X-ray diffraction (XRD) zilizopatikana wakati wa ukuaji zinaonyesha kuwa mchakato wa CVD unapoendelea, miondoko saa 2  = 26.44° na 44°, inayohusiana na ndege (002) na (101) za grafiti, ilikua mfululizo (Kielelezo  ), ikithibitisha tena utengenezaji wa kaboni ya grafiti , , . Ukuaji wa grafiti pia uliakisiwa katika miondoko saa 284.5 na 291.5 eV katika tawi la C 1s la uchambuzi wa X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) (Kielelezo  ) , . Mndeko saa 284.5 eV umepewa kwa vifungo vya C–C na C = C, ambavyo vilitokea kwa nguvu baada ya dakika 30 za ukuaji kwa sababu ya utengenezaji wa kaboni ya grafiti. Miondoko mfululizo ya XPS katika tawi la Si 1s la uchambuzi wa XPS (Kielelezo  ) inathibitisha tena  upunguzaji wa SiO2 wakati wa mchakato wa CVD. Kwa kuongezeka kwa muda wa ukuaji, mndeko karibu na 103 eV ulisogea kuelekea nishati za kufungwa 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 ya kueneza (EDX) (Kielelezo  ), iligunduliwa kuwa hata baada ya dakika 5, ukuaji wa grafiti ulitokea kando ya uso wa SiO   , na baada ya dakika 30, ukuaji ulienea katika eneo lote la picha, wakati Si na O zilibaki zikienea kwa usawa. Sehemu ya uzito wa grafiti, na matokeo ya uchambuzi wa Raman, eneo maalum la uso, na conductivity ya GB kwa muda tofauti wa ukuaji wa CVD yamefupishwa katika Jedwali  . Kuhusu eneo maalum la uso, kupungua kwake kwa kuongezeka kwa muda wa mmenyuko kunatokana na uhuishaji mfululizo wakati ambapo tabaka za grafiti zinachanganyika na kuunganishwa. Spektra za kina za uchambuzi wa Raman na thermogravimetric (TG) zimetolewa katika Kielelezo cha Nyongeza  . θ 2a 23 24 25 2b 22 23 2c 25 2d–g x 1 5   Uchambuzi wa mpira wa grafiti wakati wa ukuaji wake.  –  Ufuatiliaji wa ukuaji wa grafiti wakati wa mchakato wa CVD kwa kutumia   XRD,   XPS katika tawi la C 1s, na   tawi la Si 2p la XPS.  –  Ramani za vitu vya EDX kwa heshima na C, O, na Si baada ya  ,   dakika 5 na  ,   dakika 30 za ukuaji wa grafiti kutoka SiO2 (baari za kiwango, 50 nm) a c a b c d g d e f g Kufunika mpira wa grafiti kwenye nyenzo ya katodi yenye nikeli nyingi Kwa sababu ya umbo lake la tabaka nusu-nene, grafiti imeonekana kama moja ya nyenzo bora zaidi kwa ajili ya kufunika uso unaolinda nyenzo za katodi zenye uwezo wa juu. Hata hivyo, katika kesi ya michakato ya suluhisho inayojulikana , , ,  kulingana na njia ya Hummer, kufikia kufunika kwa usawa na yaliyomo kidogo ya grafiti si rahisi kwa sababu ya kuungana, ambayo hutokana na mwingiliano wenye nguvu wa umeme kati ya karatasi za grafiti. Kwa jitihada za kushinda suala la kuungana, 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 kufunika kwa kaboni laini kwa michakato ya CVD haitumiki kwa nyenzo za oksidi zenye nikeli nyingi ,  kwa sababu michakato ya CVD hutoa metali za mpito (TMs), ikisumbua muundo asili wa nyenzo mwenyeji. 26 27 28 29 30 31 32 Kinyume chake, GB iliyozalishwa katika utafiti huu inaweza kufunikwa kwenye uso wa unga wa kawaida wa LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 (saizi = ~10 µm) kwa kiwango kidogo cha 1% kupitia mchakato wa upole wa kusaga Nobilta. Mchakato wa kufunika pia ni wa haraka (~10 min kwa 3000 rpm). Mbegu za SiO   zina jukumu muhimu katika kuwezesha kufunika kwa usawa kwa yaliyomo kidogo. Mbegu za SiO   huchukua 57.5% kwa uzito wa GB (matokeo ya TG katika Kielelezo cha Nyongeza  ) na katika mchakato wa kufunika, 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 kufunika ulifanywa na mchanganyiko wa kimwili wa 0.5% SiO2 na 0.5% grafiti. Sampuli hii iliteseka na uharibifu wa fuwele kwenye eneo la uso la NCM kutokana na migongano mikali kati ya chembechembe za LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 pamoja na kati ya chembechembe za LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 na ukuta wa kinu (Kielelezo cha Nyongeza  ). Matukio haya yalichukuliwa na kuunganishwa kwa grafiti ambayo yalitokea bila miundo ya tatu-dimensional yenye vituo vya chembechembe za SiO   . x x 5b 6 x Kufunikwa kwa usawa kwa GB ilithibitishwa na uchambuzi wa SEM na TEM. Kuanzia sasa, LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 kabla na baada ya kufunikwa kwa GB inarejelewa kama NCM asili na GB-NCM, mtawalia. Picha za SEM za kiwango cha chini cha NCM kabla na baada ya kufunikwa kwa GB (Kielelezo  , Kielelezo cha Nyongeza  ) zilionyesha maumbo sawa sana kwa sababu ya usambazaji sare wa GB 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!

Uchaji Haraka, Maisha Marefu Zaidi: Ujanja wa Graphene ambao Huboresha Betri za Lithium

About Author

MAONI

HANG TAGS

MAKALA HII ILIWASILISHWA NDANI

Related Stories

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

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

Master Crypto Security: Your Complete Guide to Safe Wallet Management

Speed up Swift compile time

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

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

Master Crypto Security: Your Complete Guide to Safe Wallet Management

Speed up Swift compile time

Light-Mode

Classic

Newspaper

Minty

Dark-Mode

Neon Noir

Minty

HN StartUps