¿Qué es mejor, las baterías de grafeno o las baterías de grafeno de litio?

1. Introducción

La creciente demanda de energía en equipos de comunicaciones avanzados y vehículos eléctricos ha suscitado un gran interés en el desarrollo de baterías de iones de litio de alta densidad energética. Los materiales a base de silicio se pueden usar como cátodos para baterías de iones de litio de próxima generación debido a su capacidad específica ultra alta, grandes reservas y un potencial de inserción de litio relativamente bajo. Sin embargo, los cambios significativos en el volumen durante la intercalación y la delitiación continuas del litio (300%) pueden hacer que el material activo se rompa y se caiga, lo que a su vez provoca un deterioro grave de la capacidad. Muchos estudios han demostrado que los compuestos de silicio-carbono obtenidos mediante la introducción de ciertos materiales de carbono, como el grafeno, pueden exhibir muchas propiedades excelentes del carbono (como la conductividad eléctrica y la flexibilidad mecánica), de modo que este problema puede resolverse eficazmente.

2 introducción de resultados

Recientemente, el académico de la Universidad de Pekín Zhongfan Liu, en colaboración con el profesor Hailin Peng (co-comunicaciones), propuso una partícula de sílice revestida de grafeno vertical (d-sio @ vg) que se puede utilizar como un electrodo negativo estable para baterías de iones de litio y tiene una alta capacidad específica. El grafeno cultivado verticalmente sobre la superficie de las partículas de monóxido de silicio (SiO) mediante la deposición de vapor químico no solo puede mejorar significativamente la conductividad eléctrica de las partículas, sino que también proporciona una gran cantidad de canales de transporte para los iones de litio. Se encontró que incluso con cargas elevadas (1,5 mg / cm2), los compuestos resultantes permanecían estables (100 ciclos, tasa de retención del 93%) con una capacidad de hasta 1600 mAh / g. Esto da como resultado "VerTIcalGrapheneGrowthonSiOMicroparTIclesforStableLithiumIonBatteryAnodes titulado" publicado en la revista NanoLetter el 4 de mayo.

3. Guía de imágenes y texto

Figura del mecanismo 1. Diseño de partículas verticales de silicio recubiertas de grafeno

una. Aislamiento eléctrico del electrodo a base de silicio causado por el cambio de volumen durante el ciclo continuo de la batería.

B. El grafeno vertical con superficie cubierta proporciona una conexión conductora estable entre las partículas de óxido de silicio durante el ciclo de la batería.

Figura 1, Crecimiento vertical de grafeno en partículas de SiO

(ab) Imagen TEM de las partículas de d-SiO @ vG interconectadas y un cuadrado blanco seleccionado imagen parcialmente ampliada.

(c) Una imagen TEM de alta resolución de una película de grafeno vertical triangular, siendo la vista interior una vista en sección transversal del área marcada.

(d) Espectro Raman de partículas de d-SiO @ vG.

(ef) el pico de Si2p en los espectros XPS de partículas d-sio @ vg y partículas SiO y los espectros C1sXPS de partículas d-sio @ vg.

Durante el proceso de calentamiento, la sílice obtenida por la reacción de desproporción en la superficie del óxido de silicio puede proporcionar un sitio catalítico para el crecimiento de grafeno. En el mapa Raman, se pueden ver los picos característicos del grafeno (D: ~ 1359cm-1, G: ~ 2699cm-1, 2D: ~ 2690cm-1). El espectro XPS muestra que la superficie de las partículas compuestas es principalmente sílice amorfa. Hay enlaces de CO en la estructura sin enlaces C-Si, lo que indica que el oxígeno juega un papel importante en el crecimiento del grafeno.

Figura 2, Prueba de conductividad de partículas de d-SiO @ vG

(a) Un circuito para pruebas de voltaje-corriente de partículas bajo un microscopio óptico.

(b) Curvas IV de partículas de SiO individuales, una sola partícula de d-SiO @ vG y una pluralidad de partículas de d-SiO @ vG interconectadas.

(c) Representación esquemática de diferentes formas de contacto conductor entre materiales activos.

(df) Imágenes de barrido bidimensional de película de electrodo compuesto de SiO, d-SiO @ hG (grafeno horizontal) y d-SiO @ vG sobre película de PI.

Cuando las partículas de SiO se recubren con aproximadamente un 2,5% en peso de grafeno, la resistencia se reduce de ~ 4,0 veces; 1012 Ω a ~ 3,1 y veces; 104 Ω, y la resistencia de contacto y la resistencia de la hoja entre las partículas también se reducen en gran medida.

Figura 3, rendimiento electroquímico del ánodo d-SiO @ vG

(a) Curvas CV típicas de electrodos d-sio @ vg (incluidos el primer, segundo y quinto ciclo), con una tasa de barrido de 0,05 mvs-1.

(b) Curva de Nyquist del electrodo d-SiO @ vG antes y después del escaneo.

(c) Rendimiento de carga-descarga a una densidad de corriente de 160 mag-1.

(d) Capacidad específica y eficiencia de circulación de electrodos d-sio y electrodos d-sio @vg a una densidad de corriente de 320 mag-1.

La curva de voltamperometría cíclica del primer ciclo tiene un pico a 0,65 V, lo que indica la formación de una membrana electrolítica sólida, lo que da como resultado un aumento en la resistencia al transporte de carga, pero el valor permanece sustancialmente sin cambios después de diez rotaciones. La presencia de la membrana de electrolito sólido y grafeno aumenta la superficie específica de las partículas (de 3 m 2 / ga 12 m 2 / g), aumentando así la capacidad de carga y descarga. Al mismo tiempo, la encapsulación vertical de grafeno también mejora el rendimiento del ciclo del electrodo.

Figura 4, Caracterización TEM in situ de partículas de d-SiO @ vG durante la inserción de litio

(ab) diagrama esquemático e imagen TEM de un dispositivo nanoelectroquímico para la prueba de implantación de litio in situ.

(cd) Imagen de partículas de d-SiO @ vG antes y después de la intercalación de litio.

(ef) corresponde a la topografía de la superficie de la capa modificada con grafeno en las regiones marcadas en las Figuras cyd, respectivamente.

Después de la intercalación de litio, la longitud de las partículas compuestas aumenta en aproximadamente un 15% y, en el mismo caso, las partículas de SiO sin modificar aumentan en un 200%. Fotografías de alta potencia muestran que la base de grafeno permanece sin cambios antes y después de la expansión de las partículas, lo que indica que proporciona una ruta conductora estable.

Figura 5, prueba de rendimiento de batería completa d-SiO @ vG / graphite-NCA

(a) Fotografía de la batería de celda completa 18650 ensamblada con d-SiO @ vG / grafito como electrodo negativo y NCA como electrodo positivo.

(b) Rendimiento de la tasa de batería del ensamblaje a diferentes tasas de carga de 5C a 5C.

(c) Rendimiento cíclico de la batería completa ensamblada a una tasa de carga / descarga de 5C / 1C.

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