
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Yazarlar: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 In Hyuk Son Jong Hwan Park Seongyong Park Kwangjin Park Sangil Han Jaeho Shin Seok-Gwang Doo Yunil Hwang Hyuk Chang Jang Wook Choi Özet Lityum iyon piller için özelliklerden ödün vermeden tek bir özelliği iyileştirmek, anahtar parametreler arasındaki ödünleşme doğası nedeniyle zordur. Burada, grafen topu olarak adlandırılan bir grafen-silika tertibatı yetiştirmek için bir kimyasal buhar biriktirme işlemi rapor ediyoruz. Silikon oksit nanopartikül merkezine sahip üç boyutlu hiyerarşik yapısı, ölçeklenebilir Nobilta öğütme yoluyla nikel-rich katmanlı bir katoda yalnızca %1 ağırlık grafen topunun eşit şekilde kaplanmasını sağlar. Grafen topu kaplaması, zararlı yan reaksiyonları baskılayarak ve verimli iletken yollar sağlayarak çevrim ömrünü ve hızlı şarj yeteneğini iyileştirir. Grafen topu aynı zamanda 716,2 mAh g⁻¹'lük yüksek özgül kapasiteye sahip bir anot malzemesi olarak da hizmet eder. Grafen topları içeren tam bir hücre, grafen topları olmayan kontrol hücresine kıyasla hacimsel enerji yoğunluğunu %27,6 oranında artırarak, ticari bir hücre ortamında 800 Wh L⁻¹'ye ulaşma olasılığını, 5C ve 60 °C'de 500 döngüden sonra %78,6 kapasite tutunması ile birlikte göstermektedir. Giriş Lityum iyon pillerin (LIB'ler) devam eden gelişimi, enerji yoğunluğu, güç yoğunluğu, çevrim ömrü ve güvenlik dahil olmak üzere operasyonlarının çeşitli yönlerinde dikkate değer iyileştirmeler sağlamıştır. Şu anda, mobil IT cihazları LIB uygulamalarının önemli bir bölümünü oluşturmakta ve güncel en son teknoloji LIB'lerin çalışma özellikleri çoğunlukla tatmin edici durumdadır , , . Ancak, elektrikli araçlar (EV'ler) LIB pazarlarına nüfuz ettikçe, temel elektrokimyasal özellikler daha zorlu standartlar getirmiştir; daha yüksek enerji yoğunlukları artan sürüş mesafesi için istenirken, geliştirilmiş reaksiyon kinetikleri hızlı şarj ve yüksek oranlı işlemler için talep edilmektedir. Güvenlik, EV uygulamaları için kesinlikle kritik bir faktördür. Bu temel özellikler arasındaki ödünleşme ilişkisini aşmak zorlu bir mücadeledir; genellikle bir özelliği diğerlerinden ödün vermeden iyileştirmek kolay değildir. 1 2 3 Böyle bir ödünleşme ilişkisi, özellikle enerji yoğunluğu ve hızlı şarj (veya güç kapasitesi) arasında belirgindir. Aktif bileşenler olarak nanomalzemelerin kullanımı ,  ve iletken ajanlar olarak karbon nanomalzemelerin dahil edilmesi , ,  >iyont diffusion mesafesini ve iç direnci azaltarak daha iyi şarj oranları sağladığı gösterilmiş olsa da, bu yaklaşımların çoğu mevcut LIB teknolojisine uygulanmadan önce daha fazla iyileştirme gerektirmektedir. Nanomalzemelerin yığın yoğunlukları, birçok LIB uygulaması için kütlesel eşdeğerden daha önemli bir faktör olan hacimsel enerji yoğunluğuna zarar veren geleneksel mikro parçacıklardan çok daha düşüktür. İç direncin azaltılmasına yönelik benzer bir bağlamda, grafen gibi karbon nanomalzemelerin entegrasyonu, laboratuvar ölçekli elektrotların elektriksel iletkenliğini artırmada etkili olmuştur. Ancak, büyük ölçekli bir süspansiyon işleminde küçük bir ağırlık içeriğinin (%3 ağırlık altında) karbon nanomalzemelerinin homojen dağılımını elde etmek henüz gösterilmemiştir. Yabancı elementlerle doping yoluyla mevcut aktif malzemelerin modifikasyonu ,  >veya stokiyometrik kontrol , ,  >Li iyonlarının difüzyonunu ve dolayısıyla mikrometre boyutlu geleneksel aktif malzemelerin şarj oranını artırabilir. Ancak bu yaklaşımların çoğu, özgül kapasite pahasına etkilidir. 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Dahası, enerji yoğunluğu ve hızlı şarjın yanı sıra, özellikle yüksek sıcaklıklarda (örneğin 60 °C) uzun çevrim ömrü elde etmek, yüksek kapasiteli elektrot malzemeleri içeren gelişmiş LIB'ler için hala bir zorluktur. Nikel (Ni) açısından zengin ve Li açısından zengin katmanlı oksit malzemeleri, klasik LiCoO2 eşdeğerlerine kıyasla üstün özgül kapasiteleri nedeniyle gelecek vaat eden katot malzemeleri olarak kabul edilirken, şarj sırasında kaçınılmaz katyon karışımının katmanlı çerçeveyi spinel veya kaya tuzu yapılarına bozduğu ve elektrot yüzeyinde istenmeyen yan reaksiyonlarla birlikte iyi bilinmektedir. Şimdiye kadar yapılan çabalara bakıldığında, enerji yoğunluğu ve çevrim ömründe ihmal edilebilir kayıpla hızlı şarjı hemen elde etmek için en gerçekçi çözümlerden biri, minimal içerikle aktif malzemeler üzerine eşit şekilde kaplanabilen iletken koruyucu malzemeler bulmayı içerir. Yüksek hızlı şarj sırasında Li metali birikimiyle karşı karşıya kalan mevcut grafit anotlar nedeniyle gelişmiş anot malzemeleri bulmak da önemlidir. Burada, hem yüksek kapasiteli Ni-zengini katmanlı katot malzemeleri için bir kaplama malzemesi hem de bir LIB anot malzemesi olarak bir grafen-silika (SiO x) tertibatı olan bir grafen topu (GB) bildiriyoruz. Her GB, bir SiO x nanopartikül merkezinden ve çevreleyen grafen katmanlarından oluşur ve üç boyutlu (3D) patlamış mısır benzeri bir yapı oluşturur. SiO x nanopartikülleri, grafen büyümesi sırasında SiO x –grafen arayüzünde bir silisyum karbür (SiC) tabakasının oluşmasını önlemek, GB'nin katot malzemesi üzerine eşit şekilde kaplanmasını sağlamak ve GB anot malzemesi olarak kullanıldığında yüksek özgül kapasite sağlamak gibi çok yönlü roller üstlenir. GB'nin Ni-zengini katot üzerine eşit şekilde kaplanması, elektrolitle arayüzey stabilitesini ve elektrot üzerindeki elektronik iletkenliği artırarak katotun çevrimliliğini ve hızlı şarj kapasitesini önemli ölçüde iyileştirir. GB'nin benzersiz avantajlarını göz önünde bulundurarak, GB kaplı katot ve GB anot içeren tam hücre, ticari bir hücre koşulunda 800 Wh L⁻¹'ye yakın yüksek hacimsel enerji yoğunluğu olasılığını, 5C ve 60 °C'de 500 döngüden sonra %78,6 kapasite tutunması ile birlikte göstermektedir. Sonuçlar Grafen topu sentezi Patlamış mısır benzeri GB'yi sentezlemek için, grafen büyümesi için bir kimyasal buhar biriktirme (CVD) işlemi geliştirdik. CH4 gazı, 1000 °C'de SiO2 nanopartikülleri (20-30 nm çapında) varlığında bir fırına verildi. Bu sıcaklıkta, CH4 hidrojen atomları üretmek üzere ayrışır ve bu atomlar daha sonra SiO2'yi SiO x 'e (x < 2) indirgeyebilir. OH⁻ aynı zamanda aşağıdaki reaksiyon yoluyla üretilir: Bu reaksiyonun kilit özelliği, üretilen SiO x'in grafen büyümesi için katalitik bölgeler sağlaması ve OH⁻'nin, grafiti karbon oluşumunu grafene doğru kolaylaştıran hafif bir oksitleyici olarak hizmet etmesidir , . Hafif oksitleyicilerin grafiti karbon oluşumundaki rolü, yakın zamanda CO veya CO2 oluşumu için tercih edilen karbon atomlarının, aksi takdirde amorf karbona evrilecek olan reaksiyonudur . Aslında, metal katalizörler kullanılarak grafen büyümesinin kolay olduğu bilinmektedir , , , burada metal yüzeyinde kalan oksijen, grafiti karbon oluşumuna doğru tercihli reaksiyona yol açar. Hafif bir oksitleyicinin varlığı, oksitleyicinin SiC oluşumu için Si'nin indirgenmesini önlemesi nedeniyle SiO x yüzeyinde bir silisyum karbür (SiC) tabakasının oluşmasını önler . 14 15 16 17 18 19 19 Sadece CH4 kullanımına dayanan reaksiyon şemamızda, 900 °C'nin altındaki sıcaklıklarda, grafen zar zor büyüdü. Buna karşılık, 1050 °C ve üzerinde, grafen büyümesi grafit oluşumu için çok agresif hale geldi (Ek Şekil  ). Özellikle, 1000 °C'lik büyüme sıcaklığı, metal katalizörler olmadan Si ve SiO2 substratlar üzerinde CVD tabanlı grafen büyümesi için normalde kullanılan sıcaklıklardan (1100–1400 °C) daha düşüktür , , . Büyüme ortamının kritik rolü, bir kontrol deneyi ile netleştirilmiştir (Ek Şekil  ); metal katalizörler kullanan geleneksel CVD işlemlerini takiben, 1000 °C'de 3:7 hacimsel akış oranında CH4 ve H2 verildi. CH4'ün ayrışması, büyük miktarda H2 tarafından engellendiği için, grafen büyümesi gerçekten çok yavaştı, bu da sadece CH4 kullanımının sentez protokolümüzde verimli grafen büyümesi üzerindeki önemini ortaya koydu. Genel olarak, mevcut reaksiyon şemasında reaktanların ve reaksiyon sıcaklığının seçimi, metal katalizörler kullanan önceki CVD eşdeğerlerinden farklıdır ve 3D hiyerarşik yapılı bir grafen-SiO x tertibatı üretmede kilit rol oynar. 1 20 21 22 2 Bir dizi taramalı elektron mikroskobu (SEM) (Ek Şekil  ) ve transmisyon elektron mikroskobu (TEM) analizleri (Şekil  ), CVD işlemi sırasında grafen büyümesi ve morfolojisindeki değişiklikleri yansıtmaktadır. CVD işleminden 5 dakika sonra, SiO2 yüzeyi boyunca belirsiz bir şekilde 2-3 katmanlı bir grafen filmi gözlemlendi (Şekil  , e), toz rengi siyaha döndü (Ek Şekil  ). CVD işleminden 30 dakika sonra grafen büyümesi daha belirgin hale geldi, burada 3D tabaka morfolojisi açıkça görülebiliyordu (Şekil  , f). Yüksek büyütmeli TEM görüntüsü (Şekil  ), bazal düzlemini yansıtan grafenin bir bölümündeki altıgen atomik düzenlemeleri yakalar. 30 dakika sonra, SiO2 nanopartiküllerinin ortalama boyutlarının 28,2 nm'den 15,3 nm'ye düştüğü de gözlemlendi (Ek Şekil  ). Bu durum, grafen büyümesinin, yukarıda belirtilen SiO2 indirgenmesini ve ardından OH⁻ oluşumunu içermesinden kaynaklanmaktadır. Dolayısıyla, genel grafen büyümesi, orijinal çekirdekler pahasına üretilen 3D hacimli yapıda genişleyen patlamış mısır ile oldukça analojiye sahiptir (Şekil  ). 3a–f 1a–g 1b 3g 1c 1g 4 1h   SiO2 nanopartiküllerinden grafen büyümesi.  –  TEM karakterizasyonu   CVD büyümesinden önce,   5 dakika büyümeden sonra ve   30 dakika büyümeden sonra (ölçek çubukları, 50 nm).  –  Sırasıyla büyütülmüş görüntüleri (ölçek çubukları, 10 nm).   30 dakika büyümeden sonra grafenin daha yüksek büyütmeli görüntüsü ve atom seviyesindeki görünümü (beyaz kutudan, ek) (ölçek çubuğu, 2 nm).   SiO2 nanopartiküllerinden patlamış mısır benzeri grafen büyümesinin grafiksel çizimi a c a b c d f g h Grafen büyümesi, bir dizi ek analizle daha da aydınlatılmıştır. Büyüme sırasında elde edilen X-ışını kırınımı (XRD) spektrumları, CVD işlemi ilerledikçe, grafitin (002) ve (101) düzlemlerine karşılık gelen 2θ = 26,44° ve 44°'deki piklerin sürekli olarak büyüdüğünü göstermektedir (Şekil  ), bu da tekrar grafiti karbon oluşumunu desteklemektedir , , . Grafen büyümesi ayrıca X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS) analizinin C 1s dalındaki 284,5 ve 291,5 eV'deki piklerle de yansıtılmıştır (Şekil  ) , . 284,5 eV'deki pik, 30 dakika büyümeden sonra grafiti karbon oluşumu nedeniyle belirgin şekilde ortaya çıkan C-C ve C=C bağlarına atanmıştır. XPS analizinin Si 1s dalındaki ilerleyici XPS pikleri (Şekil  ), CVD işlemi sırasında SiO2 indirgenmesini yeniden doğrulamaktadır . Büyüme süresi arttıkça, Si'nin azalan oksidasyon durumundan dolayı 103 eV civarındaki pik daha düşük bağ enerjilerine kaydı. Enerji dağılımlı X-ışını (EDX) haritalamasındaki (Şekil  ) karbon sinyalinin varlığı ve yoğunluğuna dayanarak, 5 dakika sonra bile grafen büyümesinin gerçekten SiO x yüzeyi boyunca gerçekleştiği ve 30 dakika sonra, büyümenin tüm görüntü alanına yayıldığı, Si ve O'nun homojen olarak dağılırken, bulundu. Grafenin ağırlıkça kısmı ve farklı CVD büyüme süresindeki GB'nin Raman analizi, özgül yüzey alanı ve iletkenlik sonuçları Tablo  'de özetlenmiştir. Özgül yüzey alanı açısından, reaksiyon süresi arttıkça azalması, grafen katmanlarının birleşip istiflendiği ilerleyici grafitleşmeye atfedilir. Detaylı Raman ve termogravimetrik (TG) analiz spektrumları Ek Şekil  'te sunulmuştur. 2a 23 24 25 2b 22 23 2c 25 2d–g 1 5   Grafen topu analizi büyüme sırasında.  –  CVD işlemi sırasında grafen büyümesini izleme   XRD,   C 1s dalında XPS ve   XPS Si 2p dalı kullanılarak.  –  5 dakika ve  ,   30 dakika grafen büyümesinden sonra C, O ve Si'ye göre EDX elemental haritalama (ölçek çubukları, 50 nm) a c a b c d g f g Grafen topunun nikel açısından zengin katot malzemesi üzerine kaplanması Atom kalınlığında katmanlı morfolojisi nedeniyle grafen, yüksek kapasiteli katmanlı katot malzemelerinin yüzey koruyucu kaplaması için en ideal malzemelerden biri olarak kabul edilmiştir. Ancak, bilinen çözelti işlemlerinde (Hummer yöntemi) , , ,  grafen içeriği sınırlı olan eşit bir kaplamanın elde edilmesi, grafen tabakaları arasındaki güçlü elektrostatik etkileşimden kaynaklanan yığılma nedeniyle kolay değildir. Yığılma sorununu aşma çabasıyla, farklı bir yaklaşım, örneğin bir bilyalı öğütme işlemi kullanarak grafiti ezmek tanıtılmıştır . Ancak bu işlem genellikle yavaştır (> 6 saat) ve daha da önemlisi, ana malzemenin kristal yapısına zarar verebilir. Ayrıca, CVD işlemlerinden elde edilen amorf karbon kaplamanın Ni açısından zengin oksit malzemeleri için uygulanamayacağı unutulmamalıdır , , çünkü CVD işlemleri geçiş metallerini (TM'ler) çeker ve ana malzemenin orijinal kristal yapısını bozar. 26 27 28 29 30 31 32 Buna karşılık, bu çalışmada sentezlenen GB, ticari LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 tozu üzerine (boyut = ~10 µm) minimal %1 ağırlık içeriğiyle hafif bir Nobilta öğütme işlemi yoluyla kaplanabilir. Kaplama işlemi aynı zamanda oldukça hızlıdır (~10 dakika, 3000 rpm). SiO x tohumları, bu düşük ağırlık içeriğinde eşit kaplamayı sağlayan kritik rolü oynar. SiO x tohumları, GB'nin %57,5 ağırlığını oluşturur (Ek Şekil  ) ve kaplama işleminde, varlıkları GB'nin LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 yüzeyine bir kesme kuvveti uygulamasına izin vererek yakın etkileşim ve hatta nüfuziyet sağlar. Bu olguyu doğrulamak için, 0,5 ağırlık % SiO2 ve 0,5 ağırlık % grafitten oluşan fiziksel bir karışımla aynı kaplama işlemi gerçekleştirildi. Bu numune, agresif çarpışmalar nedeniyle NCM parçacıklarının yüzey bölgesinde kristal hasar gördü (Ek Şekil  ). Bu olgular, SiO x parçacık merkezlerini içeren 3D hiyerarşik yapılar olmaksızın meydana gelen grafen yığılmasıyla güçlendirildi. 5b 6 GB'nin eşit kaplanması SEM ve TEM analizleriyle doğrulanmıştır. Bundan sonra, GB kaplamadan önceki ve sonraki LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 , sırasıyla saf NCM ve GB-NCM olarak adlandırılacaktır. GB kaplamadan önceki ve sonraki NCM'nin düşük büyütmeli SEM görüntüleri (Şekil  , Ek Şekil  ), düşük içerikli GB'nin eşit dağılımı nedeniyle çok benzer morfolojiler gösterdi. Ancak, GB-NCM'nin daha yüksek büyütmeli bir SEM görüntüsü, GB'nin NCM'nin birincil parçacıkları arasındaki boşluklara nüfuz ettiğini göstermektedir (Şekil  ). GB'nin nüfuzu TEM görüntülerinde daha net gözlemlenmiştir (Şekil  , f). Şekil  'de, bir NCM parçacığının üzerindeki açık boşlukta bir grafen tabakası gözlemlendi (kırmızı noktalı çizgiler). Bazı grafen tabakaları NCM yüzeyi boyunca hizalanmış ve 3.3 veya 3.4 Å'lık tutarlı bir katmanlar arası mesafe sergilemiştir (Şekil  ). 3a, b 6a, b 3d 3e 3e 3f   LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 üzerine GB kaplaması. LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 SEM görüntüleri  ,   önce (ölçek çubukları, sırasıyla 2 µm ve 200 nm) ve  ,   GB kaplamadan sonra (ölçek çubukları, sırasıyla 2 µm ve 200 nm).  ,   Grafen tabakalarının TEM görüntüleri (ölçek çubukları, 5 nm).   LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 birincil parçacıkları arasına yerleştirilmiş ve   LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 birincil parçacıkları boyunca kaplanmış.  ,   C ve Si'ye göre LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2'nin EDX elemental haritalaması (ölçek çubukları, 2 µm).   GB kaplamadan önce ve   sonra.   GB, saf LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 ve GB kaplı LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2'nin Raman spektrumları.   Aynı üç numunenin C 1s dalındaki XPS spektrumları.   LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 üzerine GB kaplamasının şematik çizimi a c b d e f e f g h g h i j k GB kaplamadan önce ve sonra EDX elemental haritalama (Şekil  ) da GB'nin her bir NCM parçacığının tüm alanı üzerinde eşit dağılımını göstermektedir. Raman analizinde (Şekil  ), saf NCM herhangi bir pik göstermezken, GB-NCM durumunda GB kaplaması, çıplak GB'ninkilerle uyumlu olan D, G ve 2D pikleriyle yansıtıldı. Benzer şekilde, GB-NCM'nin XPS C 1s spektrumunda C-C ve C=C bağları ile temsil edilen grafiti karbon oluşumu tespit edildi (Şekil  ).  3g, h 3i 3j

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

Bu ses hikayenin orijinal dilinde üretilmiştir!

Daha Hızlı Şarj, Daha Uzun Ömür: Lityum Pilleri Yükselten Grafen Hilesi

About Author

YORUMLAR

ETİKETLERİ ASIN

BU YAZI

Related Stories

Floki'den Valhalla Hindistan'ın Sri Lanka Turuna Yardımcı Sponsor Olarak Katıldı

İş Akışınızı 10 Kat Nasıl İyileştirirsiniz: 17 Temel Uygulama

Kullanıcı Odaklı Kripto Ürünleri Oluşturma: Müşteri Geri Bildiriminin Önemi

Dijital Göçebeler Dinleyin: Tayland'ın Yeni DTV Vizesi Hakkında Bilmeniz Gerekenler

Floki'den Valhalla Hindistan'ın Sri Lanka Turuna Yardımcı Sponsor Olarak Katıldı

İş Akışınızı 10 Kat Nasıl İyileştirirsiniz: 17 Temel Uygulama

Kullanıcı Odaklı Kripto Ürünleri Oluşturma: Müşteri Geri Bildiriminin Önemi

Dijital Göçebeler Dinleyin: Tayland'ın Yeni DTV Vizesi Hakkında Bilmeniz Gerekenler

Light-Mode

Classic

Newspaper

Minty

Dark-Mode

Neon Noir

Minty

HN StartUps