```html
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Mualliflar: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 In Hyuk Son Jong Hwan Park Seongyong Park Kwangjin Park Sangil Han Jaeho Shin Seok-Gwang Doo Yunil Hwang Hyuk Chang Jang Wook Choi Abstrakt Litsey-ion batareyalari uchun boshqa xususiyatlarni qurbon qilmasdan bir xususiyatni yaxshilash, asosiy parametrlar orasidagi savdo-sotiq xarakteriga ega bo'lganligi sababli qiyin. Bu yerda biz grafen-silika yig'indisini, ya'ni grafen to'pini o'stirish uchun kimyoviy bug'li cho'ktirish jarayonini xabar qilamiz. Silikon oksidli nanozarrali markazi bilan ierarxik uch o'lchovli tuzilishi hatto 1 wt% grafen to'pini ham keng miqyosda qo'llaniladigan Nobita frezalash orqali nikelga boy qatlamli katodga bir tekisda qoplash imkonini beradi. Grafen to'pi qoplamasi zararli yon reaktsiyalarni bostirish va samarali o'tkazuvchan yo'llarni ta'minlash orqali tsikl hayotini va tez zaryadlash qobiliyatini yaxshilaydi. Grafen to'pi o'zi ham yuqori o'ziga xos sig'imi 716,2 mA·soat/g ga ega anod materiali sifatida xizmat qiladi. Grafen to'plarini o'z ichiga olgan to'liq hujayra, nazorat ostidagi hujayraga nisbatan hajmiy energiya zichligini 27,6% ga oshiradi va 500 tsikldan keyin 5C va 60 °C da 78,6% sig'imni saqlab qolish bilan tijoriy hujayra sharoitida 800 Vt·soat/L ga erishish imkoniyatini ko'rsatadi. Kirish Litsey-ion batareyalarining (LIB) doimiy rivojlanishi ularning ishlashining turli jihatlari, jumladan, energiya zichligi, quvvat zichligi, tsikl hayoti va xavfsizligini sezilarli darajada yaxshilashga olib keldi. Hozirda mobil IT qurilmalari LIB ilovalarining muhim qismini tashkil qiladi, bu yerda hozirgi zamon LIBlarining ishchi spetsifikatsiyalari asosan qoniqarli , , . Biroq, elektr transport vositalari (EV) LIB bozorlariga kirib kelganligi sababli, asosiy elektrokimyoviy xususiyatlar yanada qiyin standartlarni qo'ydi; ko'proq yurish masofasini ko'paytirish uchun yuqori energiya zichliklari istaladi, tez zaryadlash va yuqori tezlikdagi operatsiyalar uchun yaxshilangan reaktsiya kinetikasi talab qilinadi. Xavfsizlik ham, albatta, EV ilovalari uchun muhim omil hisoblanadi. Ushbu asosiy xususiyatlar o'rtasidagi savdo-sotiq munosabatini engish katta muammodir; odatda bir xususiyatni boshqalarini qurbon qilmasdan yaxshilash murakkab emas. 1 2 3 Bunday savdo-sotiq munosabati ayniqsa energiya zichligi va tez zaryadlash (yoki quvvat qobiliyati) o'rtasida yaqqol ko'rinadi. Nanozarrachalar faol komponentlar sifatida ,  va uglerod nanozarrachalarini kiritish  , ,  o'tkazuvchan agentlar sifatida ion diffuziya masofasini va ichki qarshilikni kamaytirish orqali zaryadlash tezligini oshirdi, bu yondashuvlarning aksariyati hozirgi LIB texnologiyasiga tatbiq etilishidan oldin yanada yaxshilanishni talab qiladi. Nanozarrachalarining tebranish zichligi an'anaviy mikro-zarrachalariga qaraganda ancha past, bu ko'p LIB ilovalari uchun gravimetrik hamkasbiga qaraganda muhim omil bo'lgan hajmiy energiya zichligiga zararli ta'sir ko'rsatadi. Ichki qarshilikni kamaytirishga qaratilgan shunga o'xshash kontekstda, grafen kabi uglerod nanozarrachalarini integratsiya qilish laboratoriya miqyosidagi elektrodlarning elektr o'tkazuvchanligini oshirishda samarali ekanligi isbotlangan. Biroq, katta miqyosdagi shlak jarayonida uglerod nanozarrachalarining kichik og'irlik miqdorini (masalan, <3 wt%) bir tekis taqsimlash hali namoyish etilmagan. Chet elementlar bilan doping qilish orqali mavjud faol materiallarni modifikatsiya qilish ,  yoki stoikiometrik nazorat , ,  Li ionlarining diffuziyasini va shu bilan mikrometr o'lchamdagi an'anaviy faol materiallarning zaryadlash tezligini oshirishi mumkin. Biroq, bu yondashuvlarning aksariyati o'ziga xos sig'im hisobiga samarali. 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Bundan tashqari, energiya zichligi va tez zaryadlashdan tashqari, uzoq tsikl hayotiga erishish, ayniqsa yuqori haroratlarda (ya'ni, 60 °C), yuqori sig'imli elektrod materiallarini o'z ichiga olgan ilg'or LIBlar uchun hali ham muammo bo'lib qolmoqda. Nikel (Ni)-boy va Li-boy qatlamli oksidi materiallari yuqori o'ziga xos sig'imlari tufayli klassik LiCoO2 hamkasblariga nisbatan kelgusi katod materiallari sifatida qaralsa ham, zaryadlash paytida kation aralashuvining muqarrar bo'lishi qatlamli skeletni spinel yoki tuz tosh tuzilmalariga aylantirishi, shu bilan birga elektrod yuzasida istalmagan yon reaktsiyalar bilan birga bo'lishi ma'lum. Shu kungacha qilingan sa'y-harakatlarni hisobga olgan holda, energiya zichligi va tsikl hayotini sezilarli yo'qotmasdan katod materiallarini tez zaryadlashni zudlik bilan amalga oshirish uchun eng real echimlardan biri bu faol materiallar ustiga bir tekisda qoplanishi mumkin bo'lgan o'tkazuvchan himoya materiallarini topishdir. minimal tarkib bilan. Grafit anodlari yuqori tezlikda zaryadlashda Li metalining cho'kishiga duchor bo'lganligi sababli, ilg'or anod materiallarini topish ham muhimdir. Bu yerda biz LiNi0,6Co0,1Mn0,3O2 katod materiallari uchun qoplama materiali va LIB anod materiali sifatida grafen-silika (SiO   ) yig'indisini, ya'ni grafen to'pini (GB) xabar qilamiz. Har bir GB SiO   nanozarrali markazi va atrofdagi grafen qatlamlaridan iborat bo'lib, uch o'lchovli (3D) qovoqsimon tuzilmani tashkil qiladi. SiO   nanozarrachalar bir nechta jihatlarda, masalan, grafen o'sishi paytida SiO   –grafen interfeysida silikon karbid (SiC) qatlamining hosil bo'lishini oldini olish, GBning katod materialiga bir tekis qoplanishini ta'minlash va GB anod materiali sifatida ishlatilganda yuqori o'ziga xos sig'imni ta'minlashda muhim rol o'ynaydi. GBning nikelga boy qatlamli katodga bir tekis qoplanishi elektrolit bilan interfeys barqarorligini va elektrod bo'ylab elektron o'tkazuvchanligini oshiradi, bu esa katodning tsikllanishi va tez zaryadlash qobiliyatini sezilarli darajada yaxshilaydi. GBning o'ziga xos afzalliklarini hisobga olgan holda, GB qoplangan katod va GB anodini o'z ichiga olgan to'liq hujayra tijoriy hujayra sharoitida 800 Vt·soat/L ga yaqin yuqori hajmiy energiya zichligini, hamda 500 tsikldan keyin 5C va 60 °C da 78,6% sig'imni saqlab qolish imkoniyatini ko'rsatadi. x x x x Natijalar Grafen to'pini sintez qilish Qovoqsimon GBni sintez qilish uchun biz grafen o'sishi uchun kimyoviy bug'li cho'ktirish (CVD) jarayonini ishlab chiqdik. CH4 gazi 1000 °C haroratda diametri 20–30 nm bo'lgan SiO2 nanozarrachalari ishtirokida pechga yuborildi. Ushbu haroratda CH4 cho'ktiriladi va vodorod atomlarini hosil qiladi, ular keyinchalik SiO2 ni SiO   (  < 2) ga kamaytirishi mumkin. OH− shu bilan birga quyidagi reaksiya orqali hosil bo'ladi: x x Ushbu reaktsiyadagi asosiy xususiyat shundaki, hosil bo'lgan SiO   grafen o'sishi uchun katalitik joylarni ta'minlaydi va OH− grafik uglerodning grafenga qarab hosil bo'lishini osonlashtiradigan yumshoq oksilant sifatida xizmat qiladi , . Yumshoq oksilantlarning grafik uglerod hosil bo'lishidagi roli yaqinda CO yoki CO2 hosil bo'lishi uchun uglerod atomlari uchun afzalroq bo'lganligi aniqlangan , bu uglerod atomlari aks holda amorf uglerodga aylangan bo'lar edi. Biroq, yumshoq oksilant mavjud bo'lganda, CO yoki CO2 hosil bo'lishiga qaratilgan reaksiya afzalroq ekanligi aniqlangan. Aslida, metall katalizatorlaridan foydalangan holda grafenni oson o'stirish ham shunga o'xshash tarzda ma'lum , , , bu yerda metaldagi qolgan kislorod grafik uglerod hosil bo'lishiga afzalroq reaksiya ko'rsatadi. Yumshoq oksilantning mavjudligi SiO   yuzasida silikon karbid (SiC) qatlamining hosil bo'lishini oldini oladi, chunki oksilant Si ning SiC hosil bo'lishiga kamayishini oldini oladi . x 14 15 16 17 18 19 x 19 CH4 dan eksklyuziv foydalanishga asoslangan reaksiya sxemamizda, 900 °C dan past haroratlarda grafen deyarli o'smadi. Buning aksincha, 1050 °C va undan yuqori haroratlarda grafen o'sishi grafit hosil bo'lishiga qarshi juda agressiv bo'lib qoldi (Qo'shimcha rasmt. 1). Ajoyibki, 1000 °C o'sish harorati metall katalizatorlari bo'lmagan holda Si va SiO2 substratlariga asoslangan CVD uchun odatda ishlatiladiganlardan (1100–1400 °C) pastroq , , . O'sish muhitining asosiy roli nazorat ostidagi tajriba bilan aniqlandi (Qo'shimcha rasmt. 2); metall katalizatorlaridan foydalangan holda an'anaviy CVD jarayonlariga rioya qilgan holda, 1000 °C haroratda CH4 va H2 3:7 hajmiy oqim nisbatida berildi. CH4 ning parchalanishi katta miqdordagi H2 bilan cheklanganligi sababli, grafen o'sishi haqiqatan ham juda sekin edi, bu esa bizning sintez protokolimizda samarali grafen o'sishi uchun CH4 ning eksklyuziv foydalanish muhimligini ko'rsatadi. Umuman olganda, joriy reaksiya sxemasida reagentlar va reaktsiya haroratini tanlash metall katalizatorlarini ishlatadigan avvalgi CVD hamkasblaridan farq qiladi va 3D ierarxik tuzilishga ega grafen–SiO   yig'indisini ishlab chiqarishda asosiy rol o'ynaydi. 20 21 22 x Bir qator skanerlash elektron mikroskopi (SEM) (Qo'shimcha rasmt. 3a–f) va o'tkazuvchan elektron mikroskopi (TEM) tahlillari (1-rasmt. a–g) CVD jarayoni davomida grafen o'sishi va morfologiyasidagi o'zgarishlarni aks ettiradi. CVD jarayonidan 5 daqiqa o'tgach, SiO2 yuzasi bo'ylab grafik (1-rasmt. b, e) sifatida 2–3 qavatli grafen plyonkasi ko'rinib turardi, kukun rangi qora rangga aylandi (Qo'shimcha rasmt. 3g). Grafen o'sishi CVD jarayonidan 30 daqiqa o'tgach yanada aniqroq bo'ldi, bu yerda 3D qatlam morfologiyasi aniq ko'rinib turardi (1-rasmt. c, f). Yuqori kattalashtirilgan TEM tasviri (1-rasmt. g) grafen qismining olti burchakli atom tartibini aks ettiradi, bu uning asosiy tekisligini aks ettiradi. 30 daqiqa o'tgach, SiO2 nanozarrachalarining o'rtacha o'lchamlari 28,2 dan 15,3 nm ga kamayganligi ham kuzatilgan (Qo'shimcha rasmt. 4). Bu, grafen o'sishi yuqorida qayd etilgan SiO2 ning kamayishi va keyinchalik OH− hosil bo'lishini o'z ichiga oladi. Shu sababli, umumiy grafen o'sishi asl kichik zarrachalar hisobiga hosil bo'lgan 3D katta tuzilishda kengayotgan qovoqqa juda o'xshash (1-rasmt. h).   SiO2 nanozarrachalaridan grafen o'sishi.  –  TEM xarakteristikasi   CVD o'sishidan oldin,   5 daqiqalik o'sishdan keyin va   30 daqiqalik o'sishdan keyin (o'lchov tayoqchalari, 50 nm).  –  Ularning mos ravishda kattalashtirilgan tasvirlari (o'lchov tayoqchalari, 10 nm).   30 daqiqalik o'sishdan keyin grafenning yuqori kattalashtirilgan tasviri va uning atom darajasidagi ko'rinishi (oq qutidan) (o'lchov tayoqchasi, 2 nm).   SiO2 nanozarrachalaridan qovoqsimon grafen o'sishining grafik tasviri a c a b c d f g h Grafen o'sishi qo'shimcha tahlillar orqali yanada tushuntirildi. O'sish davomida olingan rentgen difraksiyasi (XRD) spektri, CVD jarayoni davom etar ekan, grafitning (002) va (101) tekisliklariga mos keladigan 2  = 26,44° va 44° dagi cho'qqilari doimiy ravishda o'sganligini ko'rsatadi (2-rasmt. a), bu grafik uglerod hosil bo'lishini yana bir bor tasdiqlaydi , , . Grafen o'sishi rentgen fotoelektron spektroskopiyasi (XPS) tahlilining C 1s tarmog'idagi 284,5 va 291,5 eV dagi cho'qqilarda ham aks etgan (2-rasmt. b) , . 284,5 eV dagi cho'qqi C–C va C=C bog'lariga tegishli bo'lib, ular grafik uglerod hosil bo'lishi tufayli 30 daqiqalik o'sishdan keyin sezilarli darajada paydo bo'lgan. XPS tahlilining Si 1s tarmog'idagi progressiv XPS cho'qqilari (2-rasmt. c) CVD jarayoni davomida SiO2 ning kamayishini yana bir bor tasdiqlaydi . Bog'lanish energiyasining pastga siljishi Si ning kamaygan oksidlanish holati tufayli 103 eV atrofidagi cho'qqining o'sishi bilan kuzatiladi. Energiya dispersiya rentgen (EDX) xaritalashdagi (2-rasmt. d–g) uglerod signalining mavjudligi va intensivligiga asoslanib, hatto 5 daqiqa o'tgach, grafen o'sishi SiO   yuzasi bo'ylab sodir bo'lganligi va 30 daqiqa o'tgach, o'sish butun tasvir maydoniga tarqalganligi, Si va O esa bir tekis taqsimlanganligi aniqlangan. GBning og'irlik qismi, shuningdek, turli CVD o'sish vaqtlarida GBning Raman tahlili, o'ziga xos sirt maydoni va o'tkazuvchanlik natijalari 1-jadvalda umumlashtirilgan. O'ziga xos sirt maydoni bo'yicha, reaktsiya vaqtining o'sishi bilan uning kamayishi grafen qatlamlari birlashib, bir-biriga joylashishi natijasida grafizatsiya jarayoni bilan bog'liq. Raman va termogravimetrik (TG) tahlili spektrlari batafsil Qo'shimcha rasmt. 5 da keltirilgan. θ 23 24 25 22 23 25 x   Grafen to'pi o'sishi davomida tahlil.  –  CVD jarayoni davomida grafen o'sishini   XRD,   XPS C 1s tarmog'ida va   XPS Si 2p tarmog'idan foydalangan holda kuzatish.  –  5 daqiqa va  ,   30 daqiqa o'sishdan keyin SiO2 dan grafen o'sishi uchun C, O va Si ga nisbatan EDX elementar xaritasi (o'lchov tayoqchalari, 50 nm) a c a b c d g f g Nikelga boy katod materiali ustiga grafen to'pini qoplash Atom qatlamli morfologiyasi tufayli, grafen yuqori sig'imli qatlamli katod materiallarini yuzasi himoya qilish uchun eng ideal materiallardan biri sifatida qaralgan. Biroq, Hummer usuliga asoslangan , , ,  mashhur eritma jarayonlari holatida, grafenning cheklangan miqdorini bir tekisda qoplash qiyin, chunki grafen qatlamlari orasidagi kuchli elektrostatik ta'sir natijasida yig'ilish sodir bo'ladi. Yig'ilish muammosini bartaraf etishga qaratilgan sa'y-harakatlarda, boshqa yondashuv, masalan, to'pni frezalash orqali grafitni maydalash , kiritilgan. Biroq, bu jarayon odatda sekin (> 6 soat) va eng muhimi, mezbon materialning kristallikiga zarar yetkazishi mumkin. Shuningdek, CVD jarayonlari orqali amorf uglerod qoplamasi nikelga boy oksidi materiallariga qo'llanilmasligi ta'kidlanishi kerak , , chunki CVD jarayonlari o'tish metallarini (TM) chiqarib oladi, bu esa mezbon materialning asl kristalli tuzilishini buzadi. 26 27 28 29 30 31 32 Buning aksincha, bu tadqiqotda sintez qilingan GB tijoriy LiNi0,6Co0,1Mn0,3O2 changining (o'lchami = ~10 mikron) yuzasiga minimal 1 wt% miqdorida, yumshoq Nobita frezalash jarayoni orqali qoplanishi mumkin. Qoplash jarayoni ham juda tez (~10 min 3000 rpm da). SiO   urug'lari bu bir tekis qoplashni past og'irlik miqdorida amalga oshirishda asosiy rol o'ynaydi. SiO   urug'lari GBning 57,5 wt% ni tashkil qiladi (Qo'shimcha rasmt. 5b dagi TG natijasi) va qoplash jarayonida, ularning mavjudligi GBning LiNi0,6Co0,1Mn0,3O2 yuzasiga kesish kuchini qo'llashiga imkon beradi, bu esa yaqin aloqa va hatto kirib borishni ta'minlaydi. Ushbu hodisani tasdiqlash uchun bir xil qoplash jarayoni 0,5 wt% SiO2 va 0,5 wt% grafen aralashmasi bilan amalga oshirildi. Ushbu namuna LiNi0,6Co0,1Mn0,3O2 zarrachalari orasidagi hamda LiNi0,6Co0,1Mn0,3O2 zarrachalari va reaktor devori orasidagi agressiv to'qnashuvlar tufayli NCM ning kristallik shikastlanishiga duchor bo'ldi (Qo'shimcha rasmt. 6). Ushbu hodisalar SiO   zarrali markazlarini o'z ichiga olgan 3D ierarxik tuzilmalar mavjud bo'lmagan holatda yuzaga kelgan grafenning yig'ilishi bilan kuchaydi. x x x GBning bir tekis qoplanishi SEM va TEM tahlillari bilan tasdiqlandi. Keyingi o'rinlarda, GB qoplamasidan oldin va keyin LiNi0,6Co0,1Mn0,3O2 mos ravishda Pristine NCM va GB-NCM deb ataladi. NCMning GB qoplamasidan oldin va keyin past kattalashtirilgan SEM tasvirlari (3-rasmt. a, b, Qo'shimcha rasmt. 6a, b) past miqdordagi GBning bir tekis taqsimlanishi tufayli juda o'xshash morfologiyalarni ko'rsatadi. Biroq, GB-NCM ning yuqori kattalashtirilgan SEM tasviri GB NCM ning birlamchi zarrachalar orasidagi bo'shliqlarga kirib borganligini ko'rsatadi (3-rasmt. d). GBning kirib borishi TEM tasvirlarida (3-rasmt. e, f) yanada aniqroq kuzatildi. 3-rasmt. e da, NCM zarrachasi ustidagi bo'sh joyda grafen qatlami kuzatilgan (qizil nuqtali chiziqlarga qarang). Ba'zi grafen qatlamlari NCM yuzasi bo'ylab hizalangan va 3,3 yoki 3,4 Å (3-rasmt. f) doimiy qatlamlararo masofani ko'rsatgan.   LiNi0,6Co0,1Mn0,3O2 ga GB qoplash. LiNi0,6Co0,1Mn0,3O2 ning SEM tasvirlari  ,   GB qoplamasidan oldin (o'lchov tayoqchalari, mos ravishda 2 mkm va 200 nm) va  ,   GB qoplamasidan keyin (o'lchov tayoqchalari, mos ravishda 2 mkm va 200 nm).  ,  a c b d e

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

Ushbu audio hikoyaning asl tilida yaratilgan!

Tezkor zaryadlash, uzoq umr: Litium batareyalarni yangilaydiganGrafen hiylasi

About Author

IZOHLAR

TEGI QILISH

USHBU MAQOLA TAQDIM ETILGAN

Related Stories

Meet Uzi World Digital, Winner of Startups of the year 2024 in Kolkata, West Bengal, India

Meet UzairaAdvisory, Winner of Startups of The Year 2024 in Business

Meet UzairaAdvisory, Startups of The Year 2024 Nominee

Meet Uzi World Digital, Winner of Startups of the year 2024 in Kolkata, West Bengal, India

Meet UzairaAdvisory, Winner of Startups of The Year 2024 in Business

Meet UzairaAdvisory, Startups of The Year 2024 Nominee

Light-Mode

Classic

Newspaper

Minty

Dark-Mode

Neon Noir

Minty

HN StartUps