
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 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 Lityum-ion batareyalarda boshqa xususiyatlarni yo'qotmasdan bitta xususiyatni yaxshilash, asosiy parametrlarning o'zaro bog'liqligi tufayli qiyin. Bu yerda biz grafit-silika yig'indisini, ya'ni grafit sharni o'stirish uchun kimyoviy bug' hosil qilish jarayonini xabar qilamiz. Silikon oksidi nanozarralar markaziga ega bo'lgan uch o'lchovli ierarxik tuzilishi tufayli, hatto 1% og'irlikdagi grafit sharni ham keng miqyosda Nobilta frezalash orqali nikelga boy qatlamli katodga bir tekisda qoplash mumkin. Grafit shar qoplamasi zararli yon reaktsiyalarni kamaytiradi va samarali o'tkazuvchan yo'llarni ta'minlaydi, bu esa tsikl muddati va tez zaryadlash qobiliyatini yaxshilaydi. Grafit sharining o'zi ham 716,2 mA·soat/g yuqori o'ziga xos sig'imga ega anod materiali sifatida ishlaydi. Grafit sharini o'z ichiga olgan to'liq hujayra, kontroller hujayrasiga nisbatan hajmiy energiya zichligini 27,6% ga oshiradi, bu tijoriy hujayra sharoitida 800 Vt·soat/l gacha erishish imkoniyatini ko'rsatadi, shuningdek, 5C va 60 °C haroratda 500 ta tsikldan so'ng 78,6% sig'imni saqlab qolish yuqori tsikllanish qobiliyatiga ega. Kirish Lityum-ion batareyalarning (LIB) doimiy rivojlanishi ularning energiya zichligi, quvvat zichligi, tsikl muddati va xavfsizligi kabi turli jihatlarda sezilarli yaxshilanishlarga olib keldi. Hozirda mobil IT qurilmalari LIB dasturlarining muhim qismini tashkil qiladi, bu yerda hozirgi zamonaviy LIBlarning ish tartiblari ko'pincha qoniqarli hisoblanadi , , . Biroq, elektr transport vositalari (EV) LIB bozoriga kirib kelganligi sababli, asosiy elektrokimyoviy xususiyatlar yanada qiyin standartlarni belgilab berdi; ko'proq harakat masofasini ta'minlash uchun yuqori energiya zichligi talab qilinadi, tez zaryadlash va yuqori tezlikdagi operatsiyalar uchun esa reaksiya kinetikasini kuchaytirish talab etiladi. Xavfsizlik ham, albatta, EV dasturlari uchun muhim omil hisoblanadi. Ushbu asosiy xususiyatlar orasidagi o'zaro bog'liqlikni bartaraf etish katta muammo hisoblanadi; odatda bir xususiyatni boshqalarini yo'qotmasdan yaxshilash oson emas. 1 2 3 Bunday o'zaro bog'liqlik, ayniqsa, energiya zichligi va tez zaryadlash (yoki quvvat qobiliyati) orasida yaqqol ko'rinadi. Faol komponentlar sifatida nano-materiallardan foydalanish ,  va o'tkazuvchan vosita sifatida uglerod nano-materiallarini kiritish , ,  ion diffuziya masofasini va ichki qarshilikni kamaytirish orqali zaryadlash tezligini yaxshilagan bo'lsa-da, bu yondashuvlarning aksariyati hozirgi LIB texnologiyasida qo'llanilishidan oldin yanada takomillashtirishni talab qiladi. Nano-materiallarning tortish zichligi an'anaviy mikro-zarralardan ancha past, bu esa ko'plab LIB dasturlari uchun gravimetrik muqobildan muhimroq bo'lgan hajmiy energiya zichligiga zararli ta'sir ko'rsatadi. Ichki qarshilikni kamaytirishga qaratilgan shunga o'xshash kontekstda, grafit kabi uglerod nano-materiallarini integratsiyalashuvi laboratoriya miqyosidagi elektrodlarning elektr o'tkazuvchanligini oshirishda samarali bo'lgan. Biroq, katta miqyosdagi quyma jarayonida oz miqdordagi (ya'ni, <3%) uglerod nano-materiallarining bir tekis taqsimlanishiga erishish hali namoyish etilmagan. Faol materiallarni chet el elementlari bilan dopinglash ,  yoki stoikometrik nazorat orqali modifikatsiyalash , ,  shuningdek, Li ionlari diffuziyasini va shu bilan mikrometr o'lchamdagi an'anaviy faol materiallarning zaryadlash tezligini oshirishi mumkin. Biroq, bu yondashuvlarning aksariyati o'ziga xos sig'imni yo'qotish hisobiga samarali bo'ladi. 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Bundan tashqari, energiya zichligi va tez zaryadlashdan tashqari, uzoq tsikl muddatiga 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)-rich va Li-rich qatlamli oksidi materiallari klassik LiCoO2 muqobillariga nisbatan yuqori o'ziga xos sig'imlari tufayli kelgusi katod materiallari sifatida qaraladi, ammo zaryadlash paytida yuzaga keladigan majburiy kation aralashuvi qatlamli strukturaning spinel yoki tosh tuziga o'zgarishiga olib kelishi, shuningdek, elektrod yuzasida keraksiz yon reaktsiyalar sodir bo'lishiga olib kelishi ma'lum. Shu kungacha qilingan sa'y-harakatlarni hisobga olgan holda, energiya zichligi va tsikl muddatini minimal yo'qotish bilan tez zaryadlashni darhol amalga oshirishning eng real yechimlaridan biri faol materiallar ustida minimal miqdorda bir tekis qoplanishi mumkin bo'lgan o'tkazuvchan himoya materiallarini topishdir. Grafit anodlari yuqori tezlikda zaryadlash paytida Li metalining cho'kishidan aziyat chekayotganligi sababli, ilg'or anod materiallarini topish ham muhimdir. Bu yerda biz grafit-silika (SiO   ) yig'indisini, ya'ni grafit sharni (GB) yuqori sig'imli Ni-rich qatlamli katod materiallari uchun qoplama materiali sifatida, shuningdek, LIB anod materiali sifatida xabar qilamiz. Har bir GB SiO  nanozarralar markazidan va atrofdagi grafit qatlamlaridan iborat bo'lib, uch o'lchovli (3D) popcorn-simon tuzilishni hosil qiladi. SiO  nanozarralari ko'p jihatdan muhim rol o'ynaydi, masalan, SiO   –grafit 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'minlash. Ni-rich qatlamli katodga GBning bir tekis qoplanishi elektrolit bilan interfeys barqarorligini va elektrod bo'ylab elektron o'tkazuvchanligini yaxshilaydi, bu esa katodning tsikllanish qobiliyatini va tez zaryadlash qobiliyatini sezilarli darajada oshiradi. GBning noyob afzalliklarini hisobga olgan holda, GB bilan qoplangan katod va GB anodidan iborat to'liq hujayra tijoriy hujayra sharoitida 800 Vt·soat/l ga yaqin yuqori hajmiy energiya zichligi imkoniyatini ko'rsatadi, 5C va 60 °C haroratda 500 ta tsikldan so'ng 78,6% sig'imni saqlab qolish bilan birga. x x  x  x Natijalar Grafit sharni sintez qilish Popcorn-simon GBni sintez qilish uchun biz grafit o'stirish uchun kimyoviy bug' hosil qilish (CVD) jarayonini ishlab chiqdik. CH4 gazi 1000 °C haroratda diametri 20–30 nm bo'lgan SiO2 nanozarralari ishtirokida pechga yuborildi. Bu haroratda CH4 parchalaniib vodorod atomlarini hosil qiladi, keyinchalik ular SiO2 ni SiO   (   < 2) ga kamaytirishi mumkin. OH− shuningdek, quyidagi reaksiya orqali bir vaqtning o'zida hosil bo'ladi: x x Bu reaktsiyadagi asosiy xususiyat shundaki, hosil bo'lgan SiO  grafit o'sishi uchun katalitik joylarni ta'minlaydi va OH− grafit uglerodining grafitga aylanishini osonlashtiradigan yumshoq oksidlovchi vazifasini o'taydi , . Yumshoq oksidlovchilarning grafit uglerodining hosil bo'lishidagi roli yaqinda tushuntirilgan  shundan iboratki, yumshoq oksidlovchisiz amorf uglerod hosil bo'lishi ko'proq ustunlik qiladi. Biroq, yumshoq oksidlovchi ishtirokida, CO yoki CO2 hosil bo'lishiga nisbatan uglerod atomlari uchun afzal yo'nalish mavjudligi aniqlandi, ular aks holda amorf uglerodga aylangan bo'lar edi. Aslida, metall katalizatorlardan foydalangan holda grafitning oson o'sishi shunga o'xshash tarzda ma'lum , , , bu yerda metalldagi kislorod grafit uglerodining hosil bo'lishiga afzal yo'nalishni beradi. Yumshoq oksidlovchining mavjudligi SiO  yuzasida silikon karbid (SiC) qatlamining hosil bo'lishini oldini oladi, chunki oksidlovchi Si ning SiC hosil bo'lishiga kamayishini oldini oladi . x  14 15 16 17 18 19 x  19 Faqat CH4 dan foydalanishga asoslangan reaktsiya sxemamizda, 900 °C dan past haroratlarda grafit deyarli o'smadi. Buning aksincha, 1050 °C va undan yuqori haroratlarda grafitning o'sishi grafit hosil bo'lishiga juda agressiv bo'lib qoldi (Qo'shimcha rasmi  ). Ta'kidlash kerakki, 1000 °C o'sish harorati, metall katalizatorlarsiz Si va SiO2 substratlarga asoslangan CVD asosidagi grafit o'sishi uchun odatda ishlatiladigan haroratlardan (1100–1400 °C) pastroqdir , , . O'sish muhitining asosiy roli nazorat tajribasi orqali aniqlandi (Qo'shimcha rasmi  ); an'anaviy CVD jarayonlariga rioya qilgan holda, metall katalizatorlardan foydalanib, 1000 °C haroratda CH4 va H2 3:7 hajmiy oqim nisbatida berildi. CH4 ning parchalanishi H2 ning katta miqdori tomonidan cheklanganligi sababli, grafitning o'sishi juda sekin bo'ldi, bu esa bizning sintez protokolimizda samarali grafit o'sishida faqat CH4 dan foydalanish muhimligini ko'rsatdi. Umuman olganda, reaksiyadagi reagentlar va reaktsiya haroratining tanlovi metall katalizatorlarni o'z ichiga olgan avvalgi CVD muqobillaridan farq qiladi va 3D ierarxik tuzilishga ega grafit–SiO  yig'indisini ishlab chiqarishda asosiy rol o'ynaydi. 1 20 21 22 2 x  Bir qator skanerlovchi elektron mikroskopiya (SEM) (Qo'shimcha rasmi  ) va uzatuvchi elektron mikroskopiya (TEM) tahlillari (1-rasm  ) CVD jarayoni davomida grafit o'sishi va morfologiyasidagi o'zgarishlarni aks ettiradi. CVD jarayonidan 5 daqiqa o'tgach, SiO2 yuzasi bo'ylab 2–3 qavatli grafit plyonkasi zaif ko'rindi (1-rasm  , e), kukunning rangi qoraydi (Qo'shimcha rasmi  ). CVD jarayonidan 30 daqiqa o'tgach, grafit o'sishi yanada sezilarli bo'ldi, bu yerda 3D varaq morfologiyasi aniq ko'rindi (1-rasm  , f). Yuqori kattalashtirishdagi TEM tasviri (1-rasm  ) grafitning bir qismidagi olti burchakli atom tartibini, uning asosiy tekisligini aks ettiradi. 30 daqiqa o'tgach, SiO2 nanozarralari o'rtacha 28,2 dan 15,3 nm gacha kamayganligi ham kuzatildi (Qo'shimcha rasmi  ). Buning sababi shundaki, grafit o'sishi yuqorida qayd etilgan SiO2 ning kamayishi va keyinchalik OH− hosil bo'lishini o'z ichiga oladi. Shu sababli, umumiy grafit o'sishi, asl danaklar hisobiga ishlab chiqarilgan 3D hajmiy tuzilish bo'ylab kengayayotgan popcornga o'xshash (1-rasm  ). 3a–f a–g b 3g c g 4 h   SiO2 nanozarralaridan grafit o'sishi.  –  TEM xarakteristikasi   CVD o'sishidan oldin,   5 daqiqa o'sishdan keyin va   30 daqiqa o'sishdan keyin (shkalali tayoqchalar, 50 nm).  –  Ularning mos ravishda kattalashtirilgan tasvirlari (shkalali tayoqchalar, 10 nm).   30 daqiqa o'sishdan keyin grafitning yuqori kattalashtirilgan tasviri va uning atom darajasidagi ko'rinishi (oq katakdan) (shkalali tayoqcha, 2 nm).   SiO2 nanozarralaridan popcorn-simon grafit o'sishining grafik tasviri a c a b c d f g h Grafit o'sishi qo'shimcha tahlillar orqali yanada yoritildi. O'sish paytida olingan rentgen diffraktsiya (XRD) spektrlari CVD jarayoni davom etganida, grafitning (002) va (101) tekisliklariga mos keladigan 2   = 26.44° va 44° dagi cho'qqilar doimiy ravishda o'sib bordi (2-rasm  ), bu yana bir bor grafit uglerodining hosil bo'lishini tasdiqlaydi , , . Grafit o'sishi rentgen fotoelektron spektroskopiya (XPS) tahlilining C 1s tarmog'idagi 284,5 va 291,5 eV dagi cho'qqilarda ham aks etdi (2-rasm  ) , . 284,5 eV dagi cho'qqi C–C va C = C bog'lariga to'g'ri keladi, ular grafit uglerodining hosil bo'lishi tufayli 30 daqiqa o'sishdan keyin sezilarli darajada paydo bo'ldi. XPS tahlilining Si 1s tarmog'idagi progressiv XPS cho'qqilari (2-rasm  ) CVD jarayoni davomida SiO2 ning kamayishini yana bir bor tasdiqlaydi . Bog'lanish energiyalarining pastki qiymatlariga siljish Si ning oksidlanish darajasining pasayishi bilan bog'liq. Energiya dispersli rentgen (EDX) xaritalashida (2-rasm  ) uglerod signallarining mavjudligi va intensivligiga asoslanib, hatto 5 daqiqa o'tgach ham SiO  yuzasi bo'ylab grafit o'sishi sodir bo'lganligi va 30 daqiqa o'tgach, o'sish butun rasm maydoniga tarqalgani, Si va O esa bir tekisda taqsimlanganligi aniqlandi. Grafitning og'irlik qismi, shuningdek, Raman tahlili, o'ziga xos sirt maydoni va GB ning o'tkazuvchanligi natijalari turli CVD o'sish vaqti uchun 1-jadvalda   to'plangan. O'ziga xos sirt maydoni haqida gapirganda, reaksiyaning vaqt o'tishi bilan uning kamayishi grafitlashuvning progressivligi bilan bog'liq, bu davrda grafit qatlamlari birlashadi va qatlamlanadi. Batafsil Raman va termogravimetrik (TG) tahlili spektrlari Qo'shimcha rasmlarda   berilgan. θ a 23 24 25 b 22 23 c 25 d–g x  1 5   Grafit sharning o'sish jarayonidagi tahlili.  –  CVD jarayoni davomida grafit o'sishini kuzatish   XRD,   XPS C 1s tarmog'ida va   XPS Si 2p tarmog'idan foydalangan holda.  –  SiO2 dan 5 daqiqa va  ,   30 daqiqa grafit o'sishidan keyingi C, O va Si ga nisbatan EDX elementar xaritasi (shkalali tayoqchalar, 50 nm) a c a b c d g f g Grafit sharini nikelga boy katod materialiga qoplash Atom qatlamli morfologiyasi tufayli, grafit yuqori sig'imli qatlamli katod materiallarini yuzadan himoya qilish uchun eng ideal materiallardan biri hisoblanadi. Biroq, Hummer usuliga asoslangan an'anaviy eritma jarayonlarida , , ,  grafit varaqchalari orasidagi kuchli elektrostatik o'zaro ta'sir natijasida yuzaga keladigan aglomeratsiya tufayli cheklangan miqdordagi grafit bilan bir tekis qoplashga erishish oson emas. Aglomeratsiya muammosini bartaraf etish maqsadida, to'p frezalash jarayonidan foydalangan holda grafitni maydalash kabi boshqa yondashuv joriy etildi . Biroq, bu jarayon odatda sekin (>6 soat) va eng muhimi, asosiy materialning kristallligiga zarar yetkazishi mumkin. Shuningdek, CVD jarayonlaridan olingan amorf uglerod qoplamasi Ni-rich oksidi materiallariga qo'llanmasligini ta'kidlash kerak , , chunki CVD jarayonlari o'tish metallarini (TM) ekstraksiya qiladi, bu esa asosiy materialning asl kristalli strukturasini buzadi. 26 27 28 29 30 31 32 Buning o'rniga, bu tadqiqotda sintez qilingan GB tijoriy LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 changining (o'lchami ~10 µm) yuzasiga minimal 1% og'irlikdagi miqdorda Nobilta frezalash jarayoni orqali qoplanishi mumkin. Qoplash jarayoni ham juda tez (~10 daqiqa 3000 rpm da). SiO  urug'lari bu bir tekis qoplashni past og'irlikdagi miqdorlarda ta'minlashda muhim rol o'ynaydi. SiO  urug'lari GB ning 57,5% og'irlikni tashkil qiladi (TG natijasi Qo'shimcha rasmdagi  ) va qoplash jarayonida ularning mavjudligi GB ning LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 yuzasiga kesish kuchini qo'llashiga imkon beradi, bu esa yaqin o'zaro ta'sirni va hatto kirib borishni hosil qiladi. Ushbu hodisani tasdiqlash uchun 0,5% SiO2 va 0,5% grafitning fizik aralashmasi bilan bir xil qoplash jarayoni o'tkazildi. Ushbu namuna LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 zarralari orasidagi kesishishlar, shuningdek, LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 zarralari va reaktor devori orasidagi kuchli to'qnashuvlar tufayli NCM ning kristall yuzasiga zarar yetkazdi (Qo'shimcha rasmi  ). Ushbu hodisalar SiO  zarra markazlarini o'z ichiga olgan 3D ierarxik tuzilishlar bo'lmagan holda yuzaga kelgan grafit aglomeratsiyasi tufayli kuchaygan. x  x  5b 6 x  GB ning bir tekis qoplanishi SEM

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, uzoqroq umr: Litiy batareyalarini yangilaydigan grafen fokus.

About Author

IZOHLAR

TEGI QILISH

USHBU MAQOLA TAQDIM ETILGAN

Related Stories

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

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

Light-Mode

Classic

Newspaper

Minty

Dark-Mode

Neon Noir

Minty

HN StartUps