リチウム電池の負極へのグラフェン材料の応用

[前書き]

リチウム電池は、電気自動車や携帯型電子機器など、今日の人間社会で広く使用されています。しかし、これらの市販のリチウム電池はエネルギー密度が低く、日常の使用ニーズを完全に満たすことができません。さらに、ほとんどのバッテリーは急速充電および急速放電中に容量が減少し、それらのレート特性は劣っています。

さらに、エネルギー密度と急速充電に加えて、高温（摂氏約60度）での長いサイクル寿命の性能も重要です。これまで、LiCoO2に取って代わると考えられているニッケルリッチおよびリチウムリッチの層状酸化物材料は、急速充電中のエネルギー密度とサイクル寿命の損失がごくわずかです。したがって、今日のグラファイトアノードは、高速充電中にリチウムデンドライトを生成するためにリチウム金属が堆積しているため、急速充電用の高度なアノード材料を見つけることが非常に重要です。

[前書き]

最近、韓国のサムスン先端技術研究所のInHyukSon博士のチームとソウル国立大学のJang WookChoi教授のチーム（共通信著者）が共同で、有名なジャーナルNatureCommunicationsに「急速充電と高容量エネルギー密度を備えたリチウム再充電可能バッテリー用のグラファイトボール」というタイトルの記事を公開しました。この記事では、大容量のニッケルリッチ層状カソード材料とリチウム電池アノード材料のコーティング材料として、グラフェン-SiOxで組み立てられたグラフェン球について報告します。各グラフェン球は、3Dポップコーンのような構造と同様に、中心に配置されたSiOxナノ粒子と、外層に配置されたグラフェン層で構成されています。 SiOxナノ粒子には、グラフェン成長中のSiOx-グラフェン界面でのSiC層の形成を回避し、グラフェン球がカソード材料に均一にコーティングされ、アノード材料の高い比容量を確保するなど、複数の効果があります。 。ニッケルに富む正極材料上にグラフェンボールを均一にコーティングすると、電解質と電極の界面の安定性が向上し、正極の高速充電性能とサイクル安定性が向上します。グラフェン被覆正極とグラフェンボール負極からなるフルセルは、商用電池条件下で800 WhL-1の高い体積エネルギー密度を持ち、60°Cで500サイクル後の容量保持率は78.6％です。

【グラフィック紹介】

図1：SiO2ナノ粒子によるグラフェンの成長。

a）CVD成長前のTEM;

CVD成長b）5分後のTEM c）30分;

d）-f）：a）-c）図の対応する拡大図。

g）30分で成長したグラフェンと原子エネルギーレベルの拡大図。

h）ポップコーングラフェンの成長の概略図。

図2：成長中のグラフェン球の分析。

CVD成長中のグラフェン成長の使用の特性評価：

a）XRD; b）XPS;

c）XPSのSi2pピーク。グラフェン後のC、O、SiのEDXパターンd）-e）5分およびf）-g）SiO2上で30分。

図3：LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2でコーティングされたグラフェン球。

a）-c）グラフェンの成長前のSiO2ナノスフェア。

b）-d）グラフェンをコーティングした後のグラフェン球。

グラフェンシートe）コーティング前後のTEM画像f）コーティング;

i）グラフェン球のラマン図。

j）3つのサンプルのC1sピークのXPSプロット。

k）LiNi6Co0.1Mn0.3O2でコーティングされたグラフェン球の概略図。

図4：急速充電と放電およびサイクリングの性能特性。

2.5〜4.3Vの電圧範囲a）25°Cおよびb）60°Cの倍率特性：

異なるカットオフ電圧でのc）25°Cおよびd）60°Cのサイクル性能マップ。

e）最初にNCMと60°Cの4.3Vカットオフ電圧がロードされたグラフェン球でコーティングされたNCMの100％サイクル。

a）25/60°Cでのグラフェンボール負極の半電池レート特性。

b）5C電流密度25/50°Cでのグラフェンボール負極の長サイクル性能図。

グラフェンボール負極の5C電流密度サイクル500回c）SEM断面図とそのd）拡大図：

e）グラフェン球-NCM /グラフェンボールフルセルロングサイクル特性25/60°C、5C。

図6：60°Cで500サイクル後のフルセル性能の特性評価。

a）        -b）グラフェン球-NCM低/高倍率SEM画像;

c）セクションのSTEM画像。

d）図cの3つの元素C、F、PtのEDX図。

e）グラフェン球の高出力STEM画像-NCM表面。

f）NCM表面のTEM画像。

[概要]

グラフェン-シリカ複合材料、グラフェン球は、CVD法によって調製されました。層状の三次元構造により、酸化ケイ素粒子間でグラフェンを成長させることができ、グラフェン球の1 wt％が、ノビルタボールミル技術によってニッケルに富む層状カソード材料で均一にコーティングされます。有害な副反応を抑制し、導電率を向上させることにより、サイクル寿命と急速充電性能が向上します。グラフェン球は、716.2mAg-1に達するアノードの比容量に使用されます。グラフェン球のないバッテリーと比較して、バッテリー全体の体積エネルギー密度は、市販の準備の条件下で27.6％増加し、800WhL-1、5Cレートに達します。 60°Cで500サイクルのコンデンサの容量は78.6％のままです。

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