Was ist besser, Graphenbatterien oder Graphenlithiumbatterien?

1. Einleitung

Der wachsende Energiebedarf bei fortschrittlichen Kommunikationsgeräten und Elektrofahrzeugen hat großes Interesse an der Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien mit hoher Energiedichte geweckt. Materialien auf Siliziumbasis können aufgrund ihrer extrem hohen spezifischen Kapazität, großen Reserven und ihres relativ geringen Lithiumeinfügungspotentials als Kathoden für Lithium-Ionen-Batterien der nächsten Generation verwendet werden. Signifikante Volumenänderungen während der kontinuierlichen Lithiuminterkalation und -delithiation (300%) können jedoch dazu führen, dass das aktive Material abbricht und abfällt, was wiederum zu einem starken Kapazitätsabfall führt. Viele Studien haben gezeigt, dass Silizium-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe, die durch Einbringen bestimmter Kohlenstoffmaterialien wie Graphen erhalten werden, viele hervorragende Eigenschaften von Kohlenstoff aufweisen können (wie elektrische Leitfähigkeit und mechanische Flexibilität), so dass dieses Problem effektiv gelöst werden kann.

2 Ergebnisse Einführung

Kürzlich schlug der Akademiker der Peking-Universität, Zhongfan Liu, in Zusammenarbeit mit Professor Hailin Peng (Co-Communications) ein vertikales graphenbeschichtetes Siliciumdioxidpartikel (d-sio @ vg) vor, das als stabile negative Elektrode für Lithiumionenbatterien verwendet werden kann und hat eine hohe spezifische Kapazität. Vertikal auf der Oberfläche von Siliziummonoxid (SiO) -Partikeln durch chemische Gasphasenabscheidung gewachsenes Graphen kann nicht nur die elektrische Leitfähigkeit der Partikel signifikant verbessern, sondern auch eine große Anzahl von Transportkanälen für Lithiumionen bereitstellen. Es wurde gefunden, dass selbst bei hohen Belastungen (1,5 mg / cm²) die resultierenden Verbundstoffe mit einer Kapazität von bis zu 1600 mAh / g stabil blieben (100 Zyklen, Retentionsrate 93%). Dies führt zu "VerTIcalGrapheneGrowthonSiOMicroparTIclesforStableLithiumIonBatteryAnodes mit dem Titel", das am 4. Mai in der Zeitschrift NanoLetter veröffentlicht wurde.

3. Bild- und Textanleitung

Mechanismus Abbildung 1. Aufbau vertikaler, mit Graphen beschichteter Partikel auf Siliziumbasis

ein. Elektrische Isolierung der Elektrode auf Siliziumbasis durch Volumenänderung während eines kontinuierlichen Batteriezyklus.

b. Das oberflächenbedeckte vertikale Graphen stellt während des Batteriezyklus eine stabile leitende Verbindung zwischen den Siliziumoxidpartikeln her.

Abbildung 1, Vertikales Graphenwachstum auf SiO-Partikeln

(ab) TEM-Bild der miteinander verbundenen d-SiO @ vG-Partikel und ein weißes Quadrat, ausgewähltes teilweise vergrößertes Bild.

(c) Ein hochauflösendes TEM-Bild eines dreieckigen vertikalen Graphenfilms, wobei die Innenansicht eine Querschnittsansicht des markierten Bereichs ist.

(d) Raman-Spektrum von d-SiO @ vG-Partikeln.

(ef) der Peak von Si2p in den XPS-Spektren von d-sio @ vg-Partikeln und SiO-Partikeln und die C1sXPS-Spektren von d-sio @ vg-Partikeln.

Während des Erhitzungsprozesses kann das durch die Disproportionierungsreaktion auf der Oberfläche des Siliciumoxids erhaltene Siliciumdioxid eine katalytische Stelle für das Wachstum von Graphen bereitstellen. Aus der Raman-Karte sind die charakteristischen Peaks von Graphen (D: ~ 1359 cm –1, G: ~ 2699 cm –1, 2D: ~ 2690 cm –1) ersichtlich. Das XPS-Spektrum zeigt, dass die Oberfläche der Verbundpartikel hauptsächlich aus amorphem Siliciumdioxid besteht. Es gibt CO-Bindungen in der Struktur ohne C-Si-Bindungen, was darauf hinweist, dass Sauerstoff eine wichtige Rolle beim Wachstum von Graphen spielt.

Abbildung 2, Leitfähigkeitstest von d-SiO @ vG-Partikeln

(a) Eine Schaltung zur Partikelstrom-Spannungsprüfung unter einem optischen Mikroskop.

(b) IV-Kurven einzelner SiO-Partikel, eines einzelnen d-SiO @ vG-Partikels und mehrerer miteinander verbundener d-SiO @ vG-Partikel.

(c) Schematische Darstellung verschiedener Formen des leitenden Kontakts zwischen aktiven Materialien.

(df) Zweidimensionale Scanbilder von SiO, d-SiO @ hG (horizontales Graphen) und d-SiO @ vG-Verbundelektrodenfilm auf PI-Film.

Wenn die SiO-Teilchen mit etwa 2,5 Gew .-% Graphen beschichtet sind, verringert sich der Widerstand von ~ 4,0 & mal; 1012 Ω bis ~ 3,1 & mal; 104 Ω und der Kontaktwiderstand und der Schichtwiderstand zwischen den Partikeln sind ebenfalls stark verringert.

3, elektrochemische Leistung der d-SiO @ vG-Anode

(a) Typische CV-Kurven von d-sio @ vg-Elektroden (einschließlich des ersten, zweiten und fünften Zyklus) mit einer Abtastrate von 0,05 mvs & supmin; ¹.

(b) Nyquist-Kurve der d-SiO @ vG-Elektrode vor und nach dem Scannen.

(c) Lade-Entlade-Leistung bei einer Stromdichte von 160 mag-1.

(d) Spezifische Kapazität und Zirkulationseffizienz von d-sio-Elektroden und d-sio @ vg-Elektroden bei einer Stromdichte von 320 mag-1.

Die Cyclovoltammetriekurve des ersten Zyklus weist einen Peak bei 0,65 V auf, was auf die Bildung einer Festelektrolytmembran hinweist, was zu einer Erhöhung des Ladungstransportwiderstands führt, der Wert bleibt jedoch nach zehn Umdrehungen im Wesentlichen unverändert. Das Vorhandensein der Festelektrolytmembran und des Graphens erhöht die spezifische Oberfläche der Partikel (von 3 m 2 / g auf 12 m 2 / g), wodurch die Lade- und Entladekapazität erhöht wird. Gleichzeitig verbessert die vertikale Graphenverkapselung auch die Zyklusleistung der Elektrode.

4, In-situ-TEM-Charakterisierung von d-SiO @ vG-Partikeln während der Lithiuminsertion

(ab) schematisches Diagramm und TEM-Bild einer nanoelektrochemischen Vorrichtung für einen In-situ-Lithiumimplantationstest.

(cd) d-SiO @ vG-Partikelbild vor und nach der Lithium-Interkalation.

(ef) entspricht der Oberflächentopographie der graphenmodifizierten Schicht in den in den c bzw. d markierten Bereichen.

Nach der Lithium-Interkalation wird die Länge der Verbundteilchen um etwa 15% erhöht, und im gleichen Fall werden die unmodifizierten SiO-Teilchen um 200% erhöht. Hochleistungsfotos zeigen, dass die Graphenbasis vor und nach der Partikelexpansion unverändert bleibt, was darauf hinweist, dass sie einen stabilen Leitungsweg bietet.

Abbildung 5, Vollleistungstest für d-SiO @ vG / Graphit-NCA-Vollbatterie

(a) Foto einer 18650-Vollzellenbatterie, die mit d-SiO @ vG / Graphit als negativer Elektrode und NCA als positiver Elektrode zusammengebaut wurde.

(b) Leistung der Montagebatterierate bei unterschiedlichen Laderaten von 5 ° C bis 5 ° C.

(c) Zyklische Leistung der zusammengebauten Vollbatterie bei einer Lade- / Entladerate von 5 ° C / 1 ° C.

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