Anwendung von Graphenmaterialien in der negativen Elektrode einer Lithiumbatterie

[Einführung]

Lithiumbatterien sind in der heutigen menschlichen Gesellschaft weit verbreitet, wie Elektrofahrzeuge und tragbare elektronische Geräte. Diese handelsüblichen Lithiumbatterien haben jedoch niedrige Energiedichten und können die Anforderungen des täglichen Gebrauchs nicht vollständig erfüllen. Darüber hinaus haben die meisten Batterien während des schnellen Ladens und Entladens eine verringerte Kapazität und ihre Rateneigenschaften sind schlecht.

Neben der Energiedichte und der schnellen Ladung ist auch die Leistung einer langen Lebensdauer bei hohen Temperaturen (etwa 60 Grad Celsius) wichtig. Bisher haben die nickelreichen und lithiumreichen Schichtoxidmaterialien, von denen angenommen wird, dass sie LiCoO2 ersetzen, eine vernachlässigbare Energiedichte und einen vernachlässigbaren Verlust der Zykluslebensdauer während des schnellen Ladens. Daher ist es sehr wichtig, ein fortschrittliches Anodenmaterial für eine schnelle Aufladung zu finden, da die heutigen Graphitanoden eine Lithiummetallabscheidung aufweisen, um Lithiumdendriten während einer Hochgeschwindigkeitsladung zu erzeugen.

[Einführung]

Kürzlich veröffentlichten das Team von Dr. InHyukSon vom Samsung Advanced Technology Research Institute in Korea und das Team von Professor Jang WookChoi von der Seoul National University (Co-Kommunikationsautor) gemeinsam den Artikel "Grapheneballsforlithiumrechargeablebatterieswithfastchargingandhighvolumetricenergydensities" in der berühmten Zeitschrift NatureCommunications. Dieser Artikel berichtet über eine Graphen-SiOx-zusammengesetzte Graphenkugel als Beschichtungsmaterial für nickelreiche Schichtkathodenmaterialien mit hoher Kapazität und Lithiumbatterieanodenmaterialien. Jede Graphenkugel besteht aus einem SiOx-Nanopartikel in der Mitte und einer Graphenschicht in der äußeren Schicht, ähnlich einer 3D-Popcorn-ähnlichen Struktur. SiOx-Nanopartikel haben mehrere Effekte, z. B. die Vermeidung der Bildung einer SiC-Schicht an der SiOx-Graphen-Grenzfläche während des Graphenwachstums, wodurch sichergestellt wird, dass die Graphenkugeln gleichmäßig auf das Kathodenmaterial aufgetragen werden, wodurch eine hohe spezifische Kapazität für das Anodenmaterial sichergestellt wird. . Eine gleichmäßige Beschichtung des Nickel-reichen positiven Elektrodenmaterials mit Graphenkugeln verbessert die Stabilität der Grenzfläche zwischen Elektrolyt und Elektrode und verbessert die schnelle Ladeleistung und die Zyklenstabilität der positiven Elektrode. Eine Vollzelle aus einer mit Graphen beschichteten positiven Elektrode und einer negativen Graphenkugelelektrode hat unter kommerziellen Batteriebedingungen eine hohe Volumenenergiedichte von 800 WhL-1 und eine Kapazitätsretentionsrate von 78,6% nach 500 Zyklen bei 60 ° C.

[Grafische Einführung]

Abbildung 1: Wachstum von Graphen durch SiO2-Nanopartikel.

a) TEM vor dem CVD-Wachstum;

CVD-Wachstum b) TEM nach 5 min nach c) 30 min;

d) -f): a) -c) entsprechende vergrößerte Ansicht in der Figur;

g) in 30 min gewachsenes Graphen und eine vergrößerte Ansicht der Atomenergieniveaus;

h) Schematische Darstellung des Wachstums von Popcorn-Graphen.

Abbildung 2: Analyse von Graphenkugeln während des Wachstums.

Charakterisierung der Verwendung von Graphenwachstum während des CVD-Wachstums:

a) XRD; b) XPS;

c) Si2p-Peak in XPS; EDX-Muster von C, O, Si nach Graphen d) -e) 5 min und f) -g) 30 min auf SiO2.

Abbildung 3: Mit LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 beschichtete Graphenkugeln.

a) -c) SiO2-Nanokugeln vor dem Wachstum von Graphen;

b) -d) eine Graphenkugel nach dem Beschichten des Graphens;

Graphenschicht e) TEM-Bild vor und nach f) Beschichtung;

i) Ein Raman-Diagramm von Graphenkugeln;

j) XPS-Diagramm des C1s-Peaks der drei Proben;

k) Schematische Darstellung von Graphenkugeln, die mit LiNi6Co0.1Mn0.3O2 beschichtet sind.

Abbildung 4: Leistungscharakterisierung des schnellen Ladens und Entladens sowie des Zyklus.

Spannungsbereich 2,5-4,3 V a) 25 ° C und b) 60 ° C Vergrößerungseigenschaften:

Zyklusleistungskarten von c) 25 ° C und d) 60 ° C bei verschiedenen Abschaltspannungen;

e) 100% Zyklus von mit Graphenkugeln beschichtetem NCM, das anfänglich mit NCM und einer Abschaltspannung von 4,3 V bei 60 ° C beladen war;

a) Eigenschaften der Halbzellenrate der negativen Graphenkugelelektrode bei 25/60 ° C;

b) Langzyklus-Leistungsdiagramm der negativen Graphenkugelelektrode bei 5 ° C Stromdichte 25/50 ° C;

5C Stromdichtezyklus 500-fache Graphenkugel-Negativelektrode c) REM-Schnittansicht und d) vergrößerte Ansicht:

e) Graphenkugel-NCM / Graphenkugel-Vollzellen-Langzykluseigenschaften bei 25/60 ° C bei 5 ° C.

6: Charakterisierung der Leistung voller Zellen nach 500 Zyklen bei 60 ° C.

ein)        -b) Graphenkugel-NCM-REM-Bild mit niedriger / hoher Vergrößerung;

c) ein STEM-Bild des Abschnitts;

d) EDX-Diagramm der drei Elemente C, F und Pt in Abbildung c;

e) Ein Hochleistungs-STEM-Bild der Graphenkugel-NCM-Oberfläche;

f) TEM-Bild der NCM-Oberfläche.

[Zusammenfassung]

Ein Graphen-Silica-Komposit, eine Graphenkugel, wurde durch ein CVD-Verfahren hergestellt. Die dreidimensionale Schichtstruktur ermöglicht das Wachstum von Graphen zwischen den Siliziumoxidpartikeln, und 1 Gew .-% der Graphenkugeln werden durch Nobilta-Kugelmahltechnik gleichmäßig mit dem nickelreichen Schichtkathodenmaterial beschichtet. Die Lebensdauer und die schnelle Ladeleistung werden verbessert, indem nachteilige Nebenreaktionen unterdrückt und die Leitfähigkeit verbessert werden. Die Graphenkugel wird für die spezifische Kapazität der Anode verwendet, um 716,2 mAg-1 zu erreichen. Im Vergleich zu der Batterie ohne Graphenkugel ist die volumetrische Energiedichte der gesamten Batterie unter den Bedingungen der kommerziellen Herstellung um 27,6% erhöht und erreicht eine Rate von 800 Whh-1, 5C. Die Kapazität des Kondensators für 500 Zyklen bei 60 ° C beträgt immer noch 78,6%.

Die Seite enthält den Inhalt der maschinellen Übersetzung.