Что лучше, графеновые батареи или графеновые литиевые батареи?

1. Введение

Растущий спрос на энергию в современном коммуникационном оборудовании и электромобилях вызвал большой интерес к разработке литий-ионных батарей с высокой плотностью энергии. Материалы на основе кремния могут использоваться в качестве катодов для литий-ионных аккумуляторов следующего поколения из-за их сверхвысокой удельной емкости, больших резервов и относительно низкого потенциала внедрения лития. Однако значительные изменения в объеме во время непрерывной интеркаляции и делитирования лития (300%) могут привести к разрыву и выпадению активного материала, что, в свою очередь, вызывает серьезное снижение емкости. Многие исследования показали, что композиты кремний-углерод, полученные путем введения определенных углеродных материалов, таких как графен, могут проявлять многие превосходные свойства углерода (такие как электрическая проводимость и механическая гибкость), так что эта проблема может быть эффективно решена.

2 результаты введение

Недавно академик Пекинского университета Чжунфань Лю в сотрудничестве с профессором Хайлинь Пэн (совместные сообщения) предложил вертикальную частицу кремнезема, покрытую графеном (d-sio @ vg), которую можно использовать в качестве стабильного отрицательного электрода для литий-ионных батарей. высокая удельная емкость. Графен, выращенный вертикально на поверхности частиц монооксида кремния (SiO) путем химического осаждения из паровой фазы, может не только значительно повысить электропроводность частиц, но также обеспечить большое количество транспортных каналов для ионов лития. Было обнаружено, что даже при высоких нагрузках (1,5 мг / см2) полученные композиты оставались стабильными (100 циклов, степень удерживания 93%) с емкостью до 1600 мАч / г. В результате 4 мая в журнале NanoLetter был опубликован документ «VerTIcalGrapheneGrowthonSiOMicroparTIclesforStableLithiumIonBatteryAnodes, озаглавленный».

3. Изображение и текстовый справочник.

Рисунок механизма 1. Конструкция вертикальных покрытых графеном частиц на основе кремния.

а. Электрическая изоляция электрода на основе кремния, вызванная изменением объема во время непрерывной работы батареи.

б. Вертикальный графен с покрытой поверхностью обеспечивает стабильную проводящую связь между частицами оксида кремния во время работы батареи.

Рисунок 1. Вертикальный рост графена на частицах SiO.

(ab) ПЭМ-изображение взаимосвязанных частиц d-SiO @ vG и выбранное частично увеличенное изображение белого квадрата.

(c) ПЭМ-изображение с высоким разрешением треугольной вертикальной графеновой пленки, внутренний вид представляет собой вид в разрезе отмеченной области.

(г) Рамановский спектр частиц d-SiO @ vG.

(ef) пик Si2p в XPS-спектрах частиц d-sio @ vg и частиц SiO и C1sXPS-спектрах частиц d-sio @ vg.

Во время процесса нагрева кремнезем, полученный в результате реакции диспропорционирования на поверхности оксида кремния, может служить каталитическим центром для роста графена. На рамановской карте видны характерные пики графена (D: ~ 1359 см-1, G: ~ 2699 см-1, 2D: ~ 2690 см-1). Спектр РФЭС показывает, что поверхность композитных частиц состоит в основном из аморфного кремнезема. В структуре присутствуют связи CO без связей C-Si, что указывает на важную роль кислорода в росте графена.

Рис. 2. Испытание на проводимость частиц d-SiO @ vG.

(а) Схема для вольт-амперного испытания частиц под оптическим микроскопом.

(b) ВАХ отдельных частиц SiO, одной частицы d-SiO @ vG и множества связанных между собой частиц d-SiO @ vG.

(c) Схематическое изображение различных форм проводящего контакта между активными материалами.

(df) Двумерные сканирующие изображения SiO, d-SiO @ hG (горизонтальный графен) и композитной электродной пленки d-SiO @ vG на пленке PI.

Когда частицы SiO покрыты примерно 2,5 мас.% Графена, сопротивление снижается примерно в 4,0 раза; От 1012 Ом до ~ 3,1 & раз; 104 Ом, и контактное сопротивление и сопротивление листа между частицами также значительно снижаются.

Рисунок 3, электрохимические характеристики анода d-SiO @ vG.

(а) Типичные CV-кривые электродов d-sio @ vg (включая первый, второй и пятый циклы) со скоростью развертки 0,05 мВ / с.

(б) Кривая Найквиста электрода d-SiO @ vG до и после сканирования.

(c) Зарядно-разрядные характеристики при плотности тока 160 магн.

(d) Удельная емкость и эффективность циркуляции электродов d-sio и электродов d-sio @vg при плотности тока 320 магн.

Кривая циклической вольтамперометрии первого цикла имеет пик при 0,65 В, что указывает на образование твердой электролитической мембраны, что приводит к увеличению сопротивления переносу заряда, но значение остается практически неизменным после десяти оборотов. Наличие твердой электролитической мембраны и графена увеличивает удельную поверхность частиц (с 3 м 2 / г до 12 м 2 / г), тем самым увеличивая зарядную и разрядную емкость. В то же время вертикальная инкапсуляция графена также улучшает циклические характеристики электрода.

Рисунок 4, ПЭМ-характеристика частиц d-SiO @ vG на месте при введении лития.

(ab) схематическая диаграмма и изображение ПЭМ наноэлектрохимического устройства для испытания имплантации лития на месте.

(cd) изображение частицы d-SiO @ vG до и после интеркаляции лития.

(ef) соответствует топографии поверхности слоя, модифицированного графеном, в областях, отмеченных на рисунках c и d, соответственно.

После интеркаляции лития длина композитных частиц увеличивается примерно на 15%, и в том же случае немодифицированные частицы SiO увеличиваются на 200%. Фотографии с большим увеличением показывают, что графеновая основа остается неизменной до и после расширения частицы, что указывает на то, что она обеспечивает стабильный проводящий путь.

Рисунок 5, полный тест производительности батареи d-SiO @ vG / graphite-NCA

(а) Фотография полноэлементной батареи 18650, собранной с d-SiO @ vG / графитом в качестве отрицательного электрода и NCA в качестве положительного электрода.

(b) Производительность аккумуляторной батареи при различных скоростях зарядки от 5 ° C до 5 ° C.

(c) Циклическая работа полностью смонтированной батареи при скорости заряда / разряда 5C / 1C.

Страница содержит содержимое машинного перевода.