リチウムイオン電池の寿命に及ぼす新しい電極の影響

あなたの人生に瞬間はありますか、テクノロジーが遅れていると思いますか？

はい、当時最も高価な民生用パソコンの1つであるiPadを開梱すると、無力感が全身を席巻し、真ん中の大きな黒い部分がマシン全体の大部分を占めていました。それは何ですか？バッテリーです！

振動モーターが非常に正確である場合、電子製品の開発をより安全で軽量にすることを制限するものは何ですか？バッテリーです！

従来のリチウム電池に代わるものとして、サイクル性能に優れた新しいタイプのリチウムイオン電池の開発に注目しています。粒子サイズを小さくし、電極をナノ構造にすると、体積ひずみが大きくても、リチウム化および脱リチウム化プロセスでも電極は正常に機能することがわかります。 。一部の研究者は、コーティングされた（コアシェル）形態電極材料は、充電および放電サイクル中の摩耗の程度が低いことも指摘しています。しかし、電極ナノ構造材料には新しい問題が発生しています。それは、体積容量が小さい（タップ密度が低い）、抵抗特性が高いため、製造コストが増加し、副反応によるクーロン効率が低いことです。

上記の問題を考慮して、アノード複合材料はこれらの欠点を解決することができる。グラフェンに代表されるベース複合アノード材料には、高い導電率、高い機械的強度、リチウム活性成分との強い結合、高速リチウムイオン透過などの利点がありますが、欠点があります。次の側面があります。1。総静電容量電位には制限があります。 2.合成技術は高価です。 3.最初のサイクル損失が大きく、サイクル効率が低い。

最近、外国のGurpreet Singhグループは、SiOCと還元型酸化グラフェン（rGO）の組成を持つ、秩序だったクロスオーバーの自立型大面積アノード複合材料を合成しました。アノード材料は、報告されているSi / Cナノチューブよりも高い体積容量を持ち、レドックスグラフェンシートはSiOC粒子のベース材料として機能し、2つの組み合わせは、高い電子輸送チャネル、高いサイクル、高い電流密度を示します。と構造、高い安定性と他の利点。また、他の種類のリチウム電池の欠点を補い、1サイクル目の充電容量が大きく（702mAhg-1）、安定した充電比容量が大きく（543mAhg-1）、充電電流密度が高い（2400mAg）。 -1）。さらに注目に値するのは、この複合アノード材料が優れたひずみ破壊特性（2％以上）を持っていることです。これは、単純な紙のような還元型酸化グラフェンの破壊特性よりも優れています。

シリコンとグラフェンは理論上の支持力が高く、リチウム電池の優れたアノード材料ですが、エネルギー密度が低く、効率が低く、安定性が低いため、実際の用途が制限されます。ここでは、化学的に修飾されたグラフェンマトリックスに埋め込まれたカーボンシリカガラス粒子からなる自立型アノード材料を報告します。簡略化された多孔質酸化グラフェンマトリックスは、高効率の電子輸送体として使用され、安定した構造の集電体です。アモルファスシリコンオキシカーバイドと併用することで、リチウム電池のクーロン効率を高めることができます。 1020サイクルで、紙電極のエネルギー密度は588mAhg-1に達し、機械的な故障の兆候は見られませんでした。

記事はまた、効率的な軽量バッテリーを製造するために、集電体やポリマーバインダーなどのいくつかの不要な材料を削減することを指摘しました。

（a）TTCS（1,3,5,7-テトラメチル-1,3,5,7-テトラビニルシクロテトラシロキサン）の分解によって形成されたSiC粒子の走査型電子顕微鏡パターン。ガラス状粒子はサブミクロンサイズの粒子で構成されていることが観察できます。

（b）X線エネルギー分光法によって特徴付けられた架橋TTCSおよび熱分解されたオキシカーバイドシリコン。

（c）高出力X線スキャン下の酸窒化ケイ素スペクトルです。

（f）オキシカーバイドシリコンのラマンスペクトルのピークは、グラファイトによって特徴付けられます（D1ピーク：1,350 cm-1; Gピーク：1,590 cm -1）

（g）SiCおよび架橋TTCSのフーリエ変換赤外分光法（γ：引張振動モード;σ：曲げ振動モード）

（h）熱分解後のオキシ塩化炭素粒子の原子構造モデル。

（i）オキシカーバイドシリコンと酸化グラフェンからなる複合材料の透過型電子顕微鏡写真。大きな酸化グラフェンの白い斑点がオキシカーバイドシリコンの表面を覆っています。

（j）アモルファスシリコンオキシカーバイドと、その多形性のために弱い円形パターンを持つ重度に堆積した酸化グラフェンシート材料の使用、対応する透過型電子顕微鏡の選択領域電子回折パターンは、多点モードとして表示されます。

（k）60SiOC、Si、C、およびOの集束イオンビームの断面元素図は、それぞれ青、赤、および緑で表されます。

（l）熱処理前後の架橋TTCS、SiOC、GO、および複合紙材料のX線回折パターン。

（m）酸化グラフェン紙とアニールされていない紙の熱重量分析（毎分10℃の滑らかな気流で30℃から800℃に加熱）

電気化学的特性とリチウム貯蔵メカニズム

（a）充電と放電のサイクルが実行されたときに電流密度が非対称の形で増加した場合の、さまざまな紙電極の充電容量と充電効率のパターン。

（b）rGOおよび60SiOC電極の長期サイクルは、1グラムあたり1600mAhです。 970サイクル後、電流密度が100mAに低下すると、電極は1グラムあたりの良好な回復性能を示しました。挿入図は、RGOおよび60SiOC電極の走査型電子顕微鏡写真です。

（c）60SiOC電極の電圧曲線。

（d）1番目、2番目、および10番目のサイクルの異なる容量曲線。

（e）ゼロ以下の60SiOCのサイクル性能。摂氏マイナス15度に冷却すると、バッテリーは1グラムあたり約200mAhの容量を示します。温度が約25℃の室温まで上昇すると、バッテリー容量は再び約86％に変化します。

（f）オキシ塩化炭素粒子中のリチウムまたは非リチウムの概略図。リチウムの大部分はランダムな炭素相に分布しており、これらの炭素相はSiOCアモルファスマトリックスに均一に分布しています。大きなRGOシートは、高効率の電子導体および弾性サポートとして機能します。

機械的試験

（a）rGO紙を破ったときに撮影した写真は引張力試験の概略図であり、目盛りは長さの変化が0.28mmであることを示しています。

（b）荷重-変位データから引き出されたひずみパターン、およびそれらに対応する弾性率値。

（c）RGO、10SiOC、40SiOC、および60SiOCの係数値で、それぞれ26.8、7.6、41.5、24.1MPaの誤差があります。

（d）RGO紙は、破損する前に、伸び現象とグラフェンシートの再配列を示します。

（e）60SiOC紙の場合、若干の微細な延伸と再配列が発生し、SiOC粒子がRGOの白いスポットに埋め込まれるにつれて破線が徐々に割れました。

調製方法の調製SiOCセラミックの調製：SiOCはポリマー熱分解によって調製され、液体TTCSは380°Cのアルゴン雰囲気中で5時間架橋され、最終的に白色の不溶性物質を形成しました。次に、不溶性物質をボールミル粉砕して粉末にし、次にアルゴン雰囲気中で1000℃で10時間熱分解して、最終的に黒色のSiOCセラミック粉末にした。 GOおよびSiOCの調製：GOは、改良ハマーを使用して調製し、20 mlのGOコロイド懸濁液は、水とイソプロパノールを1：1の体積比で超音波処理して調製しました。異なる重量パーセントのSiOC粒子を溶液に添加し、溶液を1時間超音波で振とうし、6時間撹拌し、次に複合材料を10ミクロンのフィルター膜で真空濾過した。 GO / SiOCを濾紙から注意深くこすり落とし、乾燥させ、アルゴン雰囲気下で500°Cで2時間保持しました。また、ポリプロピレンを濾紙として使用し、60SiOC大面積紙を作成しました。熱処理された紙は小さな円にカットされ、リチウムイオン電池の半電池の作用電極材料として使用されました。ボタン電池の組み立てと電気化学的測定：リチウム電池は、アルゴンで満たされたグローブボックスに組み立てられます。 25ミクロンの厚さのガラス（直径19mm）を、作用電極と対電極としての金属リチウム（直径14.3mm、75ミクロンの厚さ）の間の電解液に浸した。ガスケット、ばね、電池缶等を順次組み付け、プレス成形する。

展望：リチウム電池は、より高いエネルギー密度、より軽量、より安全な方向に向かって動き続けており、これにより、より多くのモバイル端末が私たちの生活のあらゆる側面につながり、私たちの生活は永遠に続くでしょう！

研究グループが作成したSiOガラス-グラフェン複合紙電極は、優れたサイクル特性を持っています。電極材料は、繰り返しサイクル後の比容量損失が低く、最初のサイクルは比容量が高く、耐久時間が長く、研究チームは、有効成分の非成分が軽量電池の製造の方向性を提供すると判断しました。

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