```html
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Mga May-akda: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 In Hyuk Son Jong Hwan Park Seongyong Park Kwangjin Park Sangil Han Jaeho Shin Seok-Gwang Doo Yunil Hwang Hyuk Chang Jang Wook Choi Abstrak Ang pagpapabuti ng isang katangian nang hindi isinasakripisyo ang iba ay mahirap para sa mga lithium-ion na baterya dahil sa kalikasan ng trade-off sa pagitan ng mga pangunahing parameter. Dito, nag-uulat kami ng isang proseso ng chemical vapor deposition upang mapalago ang isang graphene–silica assembly, na tinatawag na graphene ball. Ang three-dimensional na istraktura nito na may sentro ng silicon oxide nanoparticle ay nagpapahintulot kahit sa 1 wt% na graphene ball na pantay na mababalutan sa isang nickel-rich layered cathode sa pamamagitan ng scalable Nobilta milling. Ang graphene-ball coating ay nagpapabuti sa cycle life at kakayahan sa mabilis na pag-charge sa pamamagitan ng pagsugpo sa mga nakakapinsalang side reaction at pagbibigay ng mahusay na conductive pathways. Ang mismong graphene ball ay nagsisilbi rin bilang anode material na may mataas na specific capacity na 716.2 mAh g−1. Ang isang full-cell na nagsasama ng graphene balls ay nagpapataas ng volumetric energy density ng 27.6% kumpara sa isang control cell na walang graphene balls, na nagpapakita ng posibilidad na makamit ang 800 Wh L−1 sa isang komersyal na setting ng cell, kasama ang mataas na cyclability na 78.6% capacity retention pagkatapos ng 500 cycles sa 5C at 60 °C. Introduksyon Ang patuloy na pag-unlad ng mga lithium-ion na baterya (LIBs) ay nagresulta sa kahanga-hangang mga pagpapabuti sa iba't ibang aspeto ng kanilang operasyon, kabilang ang energy density, power density, cycle life, at kaligtasan. Sa kasalukuyan, ang mga mobile IT device ay bumubuo ng isang malaking bahagi ng mga aplikasyon ng LIB, kung saan ang mga operating specification ng kasalukuyang state-of-the-art LIBs ay karamihan ay kasiya-siya , , . Gayunpaman, habang ang mga electric vehicle (EVs) ay lumalaganap sa mga merkado ng LIB, ang mga pangunahing electrochemical properties ay nagpapakilala ng mas mahihirap na pamantayan; habang ang mas mataas na energy densities ay ninanais para sa mas mahabang driving mileage, ang pinahusay na reaction kinetics ay hinihingi para sa mabilis na pag-charge at high rate operations. Ang kaligtasan ay tiyak na isang kritikal na salik para sa mga aplikasyon ng EV. Ang isang malaking hamon ay ang pagtagumpayan ang trade-off na relasyon sa pagitan ng mga pangunahing katangiang ito; karaniwang hindi madali ang pagpapabuti ng isang katangian nang hindi isinasakripisyo ang iba. 1 2 3 Ang nasabing trade-off na relasyon ay partikular na halata sa pagitan ng energy density at mabilis na pag-charge (o power capability). Habang ang paggamit ng mga nanomaterials bilang aktibong bahagi ,  at ang pagsasama ng mga carbon nanomaterials , ,  bilang mga conductive agent ay nagpakita ng pinahusay na charging rates sa pamamagitan ng pagbabawas ng ion diffusion distance at internal resistance, karamihan sa mga pamamaraang iyon ay nangangailangan pa rin ng karagdagang pagpapabuti bago sila mailapat sa kasalukuyang teknolohiya ng LIB. Ang mga tap-density ng nanomaterials ay mas mababa kaysa sa mga tradisyonal na micro-particles, na nakakasama sa volumetric energy density, isang mahalagang salik para sa maraming aplikasyon ng LIB kaysa sa gravimetric counterpart. Sa parehong konteksto tungo sa pagbawas ng internal resistance, ang integrasyon ng mga carbon nanomaterials tulad ng graphene ay napatunayang epektibo sa pagpapataas ng electric conductivity ng mga electrode na pang-laboratoryo. Gayunpaman, ang pagkamit ng pantay na distribusyon ng maliit na bigat na nilalaman (ibig sabihin, <3 wt%) ng mga carbon nanomaterials sa isang malaking proseso ng slurry ay hindi pa naipapakita. Ang pagbabago ng mga umiiral na aktibong materyales sa pamamagitan ng pag-doping ng mga dayuhang elemento ,  o stoichiometric control , ,  ay maaari ding magpataas ng diffusivity ng Li ions at sa gayon ay ang charging rate ng mga tradisyonal na aktibong materyales na may micrometer dimensions. Karamihan sa mga pamamaraang iyon, gayunpaman, ay epektibo sa kapinsalaan ng specific capacity. 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Bukod dito, bukod sa energy density at mabilis na pag-charge, ang pagkamit ng mahabang cycle life, lalo na sa mataas na temperatura (ibig sabihin, 60 °C), ay nananatiling isang hamon para sa mga advanced LIBs na nagsasama ng mga high-capacity electrode materials. Habang ang nickel (Ni)-rich at Li-rich layered oxide materials ay itinuturing bilang mga paparating na cathode materials dahil sa kanilang superyor na specific capacities kumpara sa mga classical na LiCoO2 counterparts, alam na alam na ang hindi maiiwasang cation-mixing sa panahon ng pag-charge ay nagpapalala sa layered framework patungo sa spinel o rock-salt structures, kasama ang mga hindi kanais-nais na side reactions sa ibabaw ng electrode. Isinasaalang-alang ang mga pagsisikap na ginawa hanggang ngayon, isa sa mga pinaka-makatotohanang solusyon para sa agarang pagkamit ng mabilis na pag-charge ng mga cathode materials na may napakaliit na pagkawala ng energy density at cycle life ay kinabibilangan ng paghahanap ng conductive protective materials na maaaring pantay na mababalutan sa mga aktibong materyales na may minimal na nilalaman. Mahalaga rin ang paghahanap ng advanced anode materials dahil ang mga kasalukuyang graphite anodes ay dumaranas ng Li metal deposition sa mataas na rate ng pag-charge. Dito, nag-uulat kami ng isang graphene–silica (SiO   ) assembly, na tinatawag na graphene ball (GB), bilang isang coating material para sa mga high-capacity Ni-rich layered cathode materials pati na rin isang LIB anode material. Ang bawat GB ay binubuo ng isang SiO   nanoparticle center at mga nakapalibot na graphene layers, na bumubuo ng isang three-dimensional (3D) popcorn-like structure. Ang mga SiO   nanoparticles ay gumaganap ng mahalagang papel sa maraming aspeto, tulad ng pag-iwas sa pagbuo ng isang silicon carbide (SiC) layer sa SiO   –graphene interface sa panahon ng paglaki ng graphene, pagtiyak ng pantay na pagbalot ng GB sa cathode material, at pagbibigay ng mataas na specific capacity kapag ang GB ay ginamit bilang isang anode material. Ang pantay na pagbalot ng GB sa Ni-rich layered cathode ay nagpapahusay sa interfacial stability sa electrolyte at sa electronic conductivity sa buong electrode, na lubos na nagpapabuti sa cyclability at fast charging capability ng cathode. Sa pagkuha ng mga natatanging bentahe ng GB, ang full-cell na binubuo ng GB-coated cathode at GB anode ay nagpapakita ng posibilidad ng mataas na volumetric energy density na malapit sa 800 Wh L−1 sa isang komersyal na kondisyon ng cell, kasama ang 78.6% capacity retention pagkatapos ng 500 cycles sa 5C at 60 °C. x x x x Mga Resulta Synthesis ng graphene ball Upang masimulan ang popcorn-like GB, binuo namin ang isang chemical vapor deposition (CVD) process para sa paglaki ng graphene. Ang CH4 gas ay pinakain sa isang furnace sa presensya ng SiO2 nanoparticles na may diameters na 20–30 nm sa 1000 °C. Sa temperaturang ito, ang CH4 ay nabubulok upang makabuo ng mga hydrogen atoms, na maaaring kasunod na magbawas ng SiO2 sa SiO   (  < 2). Ang OH− ay sabay-sabay ding nabubuo sa pamamagitan ng sumusunod na reaksyon: x x Ang pangunahing tampok sa reaksyong ito ay ang nabuong SiO   ay nagbibigay ng mga catalytic site para sa paglaki ng graphene, at ang OH− ay nagsisilbing isang mild oxidant upang mapadali ang pagbuo ng graphitic carbon patungo sa graphene , . Ang papel ng mild oxidants sa pagbuo ng graphitic carbon ay kamakailan lamang na nabigyan ng katwiran  sa paraan na, kung walang mild oxidant, ang pagbuo ng amorphous carbon ay mas dominante. Gayunpaman, sa presensya ng isang mild oxidant, natuklasan na ang reaksyon patungo sa pagbuo ng CO o CO2 ay mas pinipili para sa mga carbon atoms na kung hindi man ay magiging amorphous carbon. Sa katunayan, ang madaling paglaki ng graphene gamit ang mga metal catalysts ay kilalang nangyayari sa katulad na paraan , , , kung saan ang natitirang oxygen sa ibabaw ng metal ay humahantong sa preferential na reaksyon patungo sa pagbuo ng graphitic carbon. Ang presensya ng isang mild oxidant ay pumipigil sa pagbuo ng silicon carbide (SiC) layer sa ibabaw ng SiO   dahil ang oxidant ay pumipigil sa pagbawas ng Si patungo sa pagbuo ng SiC . x 14 15 16 17 18 19 x 19 Sa aming reaction scheme na batay sa eksklusibong paggamit ng CH4, sa mga temperaturang mas mababa sa 900 °C, ang graphene ay halos hindi lumaki. Sa kabaligtaran, sa 1050 °C at pataas, ang paglaki ng graphene ay naging masyadong agresibo patungo sa pagbuo ng graphite (Supplementary Fig.  ). Kapansin-pansin, ang growth temperature na 1000 °C ay mas mababa kaysa sa mga (1100–1400 °C) na karaniwang ginagamit para sa CVD-based graphene growth na batay sa Si at SiO2 substrates nang walang metal catalysts , , . Ang kritikal na papel ng growth environment ay nilinaw ng isang control experiment (Supplementary Fig.  ); sumusunod sa mga tradisyonal na CVD processes gamit ang mga metal catalysts, ang CH4 at H2 ay pinakain sa isang 3:7 volumetric flow ratio sa 1000 °C. Dahil ang pagbawas ng CH4 ay nahadlangan ng malaking dami ng H2, ang paglaki ng graphene ay talagang napakabagal, na nagpapakita ng kahalagahan ng eksklusibong paggamit ng CH4 sa mahusay na paglaki ng graphene sa aming synthesis protocol. Sa kabuuan, ang pagpili ng mga reactant at reaction temperature sa kasalukuyang reaction scheme ay naiiba sa mga nakaraang CVD-based counterparts na gumagamit ng mga metal catalysts at gumaganap ng isang pangunahing papel sa pagbuo ng isang graphene–SiO   assembly na may 3D hierarchical structure. 1 20 21 22 2 x Ang isang serye ng scanning electron microscope (SEM) (Supplementary Fig.  ) at transmission electron microscope (TEM) analyses (Fig.  ) na isinagawa sa kurso ng CVD process ay nagpapakita ng mga pagbabago sa paglaki at morpolohiya ng graphene. Pagkatapos ng 5 minuto ng CVD process, isang 2–3-layer-thick na graphene film ay bahagyang naobserbahan sa ibabaw ng SiO2 (Fig.  , e), at ang kulay ng pulbos ay naging itim (Supplementary Fig.  ). Ang paglaki ng graphene ay naging mas kapansin-pansin pagkatapos ng 30 minuto ng CVD process, kung saan ang 3D sheet morphology ay malinaw na nakikita (Fig.  , f). Ang high-magnification TEM image (Fig.  ) ay nakakuha ng hexagonal atomic arrangements sa isang seksyon ng graphene, na nagpapakita ng basal plane nito. Pagkatapos ng 30 minuto, naobserbahan din na ang mga sukat ng SiO2 nanoparticles ay bumaba mula 28.2 hanggang 15.3 nm sa average (Supplementary Fig.  ). Nangyari ito dahil ang paglaki ng graphene ay nagsasangkot ng nabanggit na pagbawas ng SiO2 at kasunod na pagbuo ng OH− . Kaya, ang pangkalahatang paglaki ng graphene ay halos kapareho ng paglaki ng popcorn sa 3D bulky structure, na nabuo sa kapinsalaan ng orihinal na mga buto (Fig.  ). 3a–f 1a–g 1b 3g 1c 1g 4 1h   Paglaki ng graphene mula sa SiO2 nanoparticles.  –  TEM characterization   bago ang CVD growth,   pagkatapos ng 5 minuto na paglaki, at   pagkatapos ng 30 minuto na paglaki (scale bars, 50 nm).  –  Ang kani-kanilang pinalaking imahe (scale bars, 10 nm).   Mas mataas na magnification na imahe ng graphene pagkatapos ng 30 minuto na paglaki at ang atom-level view nito mula sa puting kahon (inset) (scale bar, 2 nm).   Graphical illustration ng popcorn-like graphene growth mula sa SiO2 nanoparticles. a c a b c d f g h Ang paglaki ng graphene ay lalong nilinaw sa pamamagitan ng isang serye ng mga karagdagang pagsusuri. Ang X-ray diffraction (XRD) spectra na nakuha sa panahon ng paglaki ay nagpapahiwatig na habang umuusad ang CVD process, ang mga peak sa 2  = 26.44° at 44°, na tumutugma sa (002) at (101) planes ng graphite, ay patuloy na lumalaki (Fig.  ), na muling nagpapatunay sa pagbuo ng graphitic carbon , , . Ang paglaki ng graphene ay nakita rin sa mga peak sa 284.5 at 291.5 eV sa C 1s branch ng X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis (Fig.  ) , . Ang peak sa 284.5 eV ay itinalaga sa C–C at C = C bonds, na lumitaw nang kapansin-pansin pagkatapos ng 30 minuto ng paglaki dahil sa pagbuo ng graphitic carbon. Ang mga progresibong XPS peaks sa Si 1s branch ng XPS analysis (Fig.  ) ay muling nagpapatunay  sa pagbawas ng SiO2 sa panahon ng CVD process. Sa pagtaas ng growth time, ang peak malapit sa 103 eV ay lumipat sa mas mababang binding energies dahil sa nabawasang oxidation state ng Si. Batay sa presensya at intensity ng carbon signal sa energy dispersive X-ray (EDX) mapping (Fig.  ), natagpuan na kahit pagkatapos ng 5 minuto, ang paglaki ng graphene ay nangyari sa ibabaw ng SiO   , at pagkatapos ng 30 minuto, ang paglaki ay kumalat sa buong imahe, habang ang Si at O ay nanatiling pantay na nakakalat. Ang bigat na bahagi ng graphene, at ang mga resulta ng Raman analysis, specific surface area, at conductivity ng GB sa iba't ibang CVD growth time ay nakalagom sa Table  . Tungkol naman sa specific surface area, ang pagbaba nito sa pagtaas ng reaction time ay iniuugnay sa progresibong graphitization kung saan ang mga graphene layers ay nagiging merged at stacked. Detalyadong Raman at thermogravimetric (TG) analyses spectra ay ipinapakita sa Supplementary Fig.  . θ 2a 23 24 25 2b 22 23 2c 25 2d–g x 1 5   Pagsusuri ng graphene-ball habang ito ay lumalaki.  –  Pag-monitor ng paglaki ng graphene sa kurso ng CVD process gamit ang   XRD,   XPS sa C 1s branch, at   XPS Si 2p branch.  –  EDX elemental mapping ayon sa C, O, at Si pagkatapos ng  ,   5 minuto at  ,   30 minuto na paglaki ng graphene mula sa SiO2 (scale bars, 50 nm). a c a b c d g d e f g Pagbalot ng graphene ball sa Ni-rich cathode material Dahil sa atom-thick-layered morphology nito, ang graphene ay itinuturing na isa sa mga pinaka-ideal na materyales para sa surface protective coating ng mga high capacity layered cathode materials. Gayunpaman, sa kaso ng mga kilalang solution processes , , ,  batay sa Hummer’s method, ang pagkamit ng pantay na coating na may limitadong nilalaman ng graphene ay hindi madali dahil sa agglomeration, na nagmumula sa malakas na electrostatic interaction sa pagitan ng mga graphene sheets. Sa pagsisikap na malampasan ang isyu ng agglomeration, isang iba't ibang pamamaraan, tulad ng pagdurog ng graphite gamit ang ball-milling process, ay ipinakilala . Gayunpaman, ang prosesong ito ay karaniwang mabagal (>6 h) at, higit sa lahat, maaaring makasira sa crystallinity ng host material. Dapat ding tandaan na ang amorphous carbon coating sa pamamagitan ng CVD processes ay hindi mailalapat sa Ni-rich oxide materials ,  dahil ang mga CVD processes ay nag-e-extract ng transition metals (TMs), na nakakaistorbo sa orihinal na crystal structure ng host material. 26 27 28 29 30 31 32 Sa kabaligtaran, ang ginawang GB sa pag-aaral na ito ay maaaring mababalutan sa ibabaw ng komersyal na LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 powder (sukat = ~10 µm) sa minimal na nilalaman na 1 wt% sa pamamagitan ng isang mild Nobilta milling process. Ang coating process ay mabilis din (~10 minuto sa 3000 rpm). Ang mga SiO   seeds ay gumaganap ng mahalagang papel sa pagpapagana ng pantay na pagbalot na ito sa mababang bigat na nilalaman. Ang mga SiO   seeds ay bumubuo ng 57.5 wt% ng GB (TG result sa Supplementary Fig.  ) at sa coating process, ang kanilang presensya ay nagpapahintulot sa GB na magbigay ng shear force sa ibabaw ng LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2, na nagbubunga ng malapit na interaksyon at kahit penetration. Upang kumpirmahin ang penomenong ito, ang parehong coating process ay isinagawa na may pisikal na halo ng 0.5 wt% SiO2 at 0.5 wt% graphene. Ang sample na ito ay nagdusa mula sa crystalline damage sa surface region ng NCM dahil sa agresibong collisions sa pagitan ng LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 particles pati na rin sa pagitan ng LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 particles at ng reactor wall (Supplementary Fig.  ). Ang mga penomenong ito ay pinalala ng graphene agglomeration na nangyari sa kawalan ng 3D hierarchical structures na naglalaman ng SiO   particle centers. x x 5b 6 x Ang pantay na pagbalot ng GB ay nakumpirma ng SEM at TEM analyses. Mula dito, ang LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 bago at pagkatapos ng GB coating ay tinukoy bilang pristine NCM at GB-NCM, ayon sa pagkakabanggit. Ang mga low magnification SEM images ng NCM bago at pagkatapos ng GB coating (Fig.  , Supplementary Fig.  ) ay nagpakita ng halos parehong mga morphology dahil sa pantay na distribusyon ng mababang nilalaman na GB. Gayunpaman, ang isang higher-magnification SEM image ng GB-NCM ay nagpapahiwatig na ang GB ay tumagos sa mga espasyo sa pagitan ng mga primary particles ng NCM (Fig.  ). Ang pagtagos ng GB ay mas malinaw na naobserbahan sa TEM images (Fig.  , f). Sa Fig.  , isang graphene sheet ang naobserbahan sa bukas na espasyo sa ibabaw ng isang NCM particle (tingnan ang pulang dotted lines). Ang ilang mga graphene sheet ay nakahanay sa ibabaw ng NCM at nagpakita ng pare-parehong interlayer distance na 3.3 o 3.4 Å (Fig.  ). 3a, b 6a, b 3d 3e 3e 3f   Pagbalot ng GB sa LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2. SEM images ng LiNi0.6Co0.1

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

Ang audio na ito ay ginawa sa orihinal na wika ng kuwento!

Mas Mabilis na Pag-charge, Mas Mahabang Buhay: Ang Graphene Trick na Nag-a-upgrade ng Mga Bateryang Lithium

About Author

MGA KOMENTO

HANG TAGS

ANG ARTIKULONG ITO AY IPINAKITA SA

Related Stories

How I deployed my spark document classification(Logistic Regression) model/s as a standalone app…

COVID-19: We Need More Than Data, We Need Insights!

Encrypted Instant Messaging Recommendations January 2017

Getting intimate with Ethereum tokens

How I deployed my spark document classification(Logistic Regression) model/s as a standalone app…

COVID-19: We Need More Than Data, We Need Insights!

Encrypted Instant Messaging Recommendations January 2017

Getting intimate with Ethereum tokens

Light-Mode

Classic

Newspaper

Minty

Dark-Mode

Neon Noir

Minty

HN StartUps