Aplicación de materiales de grafeno en el electrodo negativo de la batería de litio.

[Introducción]

Las baterías de litio se utilizan ampliamente en la sociedad humana actual, como los vehículos eléctricos y los dispositivos electrónicos portátiles. Sin embargo, estas baterías de litio comerciales tienen bajas densidades de energía y no pueden satisfacer completamente las necesidades del uso diario. Además, la mayoría de las baterías tienen una capacidad reducida durante la carga y descarga rápidas, y sus características de velocidad son malas.

Además, además de la densidad de energía y la carga rápida, también es importante el rendimiento de un ciclo de vida prolongado a altas temperaturas (alrededor de 60 grados Celsius). Hasta ahora, los materiales de óxido en capas ricos en níquel y litio que se considera que reemplazan al LiCoO2 tienen una densidad de energía y una pérdida de ciclo de vida insignificantes durante la carga rápida. Por lo tanto, es muy importante encontrar un material de ánodo avanzado para una carga rápida, porque los ánodos de grafito de hoy en día tienen una deposición de metal de litio para producir dendritas de litio durante la carga de alta velocidad.

[Introducción]

Recientemente, el equipo del Dr. InHyukSon del Instituto de Investigación de Tecnología Avanzada de Samsung de Corea y el equipo del Profesor Jang WookChoi de la Universidad Nacional de Seúl (coautor de la comunicación) publicaron conjuntamente el artículo titulado "Esferas de grafeno para baterías recargables de litio con carga rápida y densidades de energía de alto volumen" en la famosa revista NatureCommunications. Este artículo informa sobre una esfera de grafeno ensamblada con grafeno-SiOx como material de recubrimiento para materiales de cátodos en capas ricos en níquel de alta capacidad y materiales de ánodos de baterías de litio. Cada esfera de grafeno consta de una nanopartícula de SiOx ubicada en el centro y una capa de grafeno en la capa exterior, similar a una estructura en 3D similar a una palomita de maíz. Las nanopartículas de SiOx tienen múltiples efectos, como evitar la formación de una capa de SiC en la interfaz SiOx-grafeno durante el crecimiento del grafeno, asegurando que las esferas de grafeno se recubren uniformemente sobre el material del cátodo, asegurando una alta capacidad específica para el material del ánodo. . El recubrimiento uniforme de bolas de grafeno sobre el material del electrodo positivo rico en níquel mejora la estabilidad del electrolito y la interfaz del electrodo, y mejora el rendimiento de carga rápida y la estabilidad del ciclo del electrodo positivo. Una celda completa hecha de un electrodo positivo recubierto de grafeno y un electrodo negativo de bola de grafeno tiene una densidad de energía de alto volumen de 800 WhL-1 en condiciones de batería comercial, y tiene una tasa de retención de capacidad del 78,6% después de 500 ciclos a 60 ° C.

[Introducción gráfica]

Figura 1: Crecimiento de grafeno por nanopartículas de SiO2.

a) TEM antes del crecimiento de CVD;

Crecimiento de CVD b) TEM después de 5 min después de c) 30 min;

d) -f): a) -c) correspondiente vista ampliada en la figura;

g) Grafeno cultivado en 30 min y una vista ampliada de los niveles de energía atómica;

h) Diagrama esquemático del crecimiento del grafeno de palomitas de maíz.

Figura 2: Análisis de esferas de grafeno durante el crecimiento.

Caracterización del uso del crecimiento de grafeno durante el crecimiento de ECV:

a) XRD; b) XPS;

c) pico de Si2p en XPS; Patrón EDX de C, O, Si después de grafeno d) -e) 5 min yf) -g) 30 min en SiO2.

Figura 3: Esferas de grafeno recubiertas con LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2.

a) -c) nanoesferas de SiO2 antes del crecimiento del grafeno;

b) -d) una esfera de grafeno después de recubrir el grafeno;

Lámina de grafeno e) Imagen TEM antes y después f) recubrimiento;

i) Un diagrama Raman de esferas de grafeno;

j) Gráfico XPS del pico C1s de las tres muestras;

k) Diagrama esquemático de esferas de grafeno recubiertas de LiNi6Co0.1Mn0.3O2.

Figura 4: Caracterización del rendimiento de la carga y descarga rápida y el ciclo.

Rango de voltaje de 2.5-4.3V a) 25 ° C yb) Características de aumento de 60 ° C:

Mapas de rendimiento de ciclo de c) 25 ° C yd) 60 ° C a diferentes voltajes de corte;

e) Ciclo del 100% de NCM revestido con esferas de grafeno inicialmente cargado con NCM y voltaje de corte de 4,3 V a 60 ° C;

a) Características de velocidad de media celda del electrodo negativo de bola de grafeno a 25/60 ° C;

b) Diagrama de rendimiento de ciclo largo del electrodo negativo de bola de grafeno a una densidad de corriente de 5C 25/50 ° C;

Ciclo de densidad de corriente 5C 500 veces del electrodo negativo de bola de grafeno c) Vista en sección del SEM y su d) vista ampliada:

e) Esfera de grafeno-NCM / bola de grafeno características de ciclo largo de celda completa a 25/60 ° C a 5 ° C.

Figura 6: Caracterización del rendimiento completo de la celda después de 500 ciclos a 60 ° C.

a)        -b) imagen SEM de esfera de grafeno-NCM de aumento bajo / alto;

c) Una imagen STEM de la sección;

d) diagrama EDX de los tres elementos C, F y Pt en la Figura c;

e) Una imagen STEM de alta potencia de la superficie de la esfera de grafeno-NCM;

f) Imagen TEM de la superficie NCM.

[Resumen]

Se preparó un compuesto de grafeno-sílice, una esfera de grafeno, mediante un método CVD. La estructura tridimensional en capas permite que el grafeno crezca entre las partículas de óxido de silicio, y el 1% en peso de las esferas de grafeno se recubren uniformemente con el material de cátodo en capas rico en níquel mediante la técnica de molienda de bolas de Nobilta. La vida útil del ciclo y el rendimiento de carga rápida se mejoran al suprimir las reacciones secundarias adversas y mejorar la conductividad. La esfera de grafeno se utiliza para que la capacidad específica del ánodo alcance los 716,2mAg-1. En comparación con la batería sin la esfera de grafeno, la densidad de energía volumétrica de toda la batería se incrementa en un 27,6% en las condiciones de preparación comercial, alcanzando una tasa de 800WhL-1, 5C. La capacidad del condensador para 500 ciclos a 60 ° C sigue siendo del 78,6%.

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