Μια εύκολη υδροθερμική μέθοδος μικροκυμάτων για την κατασκευή σύνθετου υλικού [email protected]/Γραφενίου με βελτιωμένες ιδιότητες αποθήκευσης ιόντων λιθίου
- 1 College of Environmental and Chemical Engineering, Heilongjiang University of Science and Technology, Harbin, Κίνα
- 2 Σχολή Χημικών Μηχανικών και Τεχνολογίας, Harbin Institute of Technology, Harbin, Κίνα
- 3 Baotailong New Materials Co., Ltd., Jixi, Κίνα
Το τριμερές σύνθετο υλικό [email protected]/γραφενίου έχει παρασκευαστεί μέσω μιας τροποποιημένης στρατηγικής διπλής στρώσης στρώματος άνθρακα και φύλλων γραφενίου. Το μέγεθος, η διασπορά και το στρώμα επικάλυψης του [email protected] είναι ομοιόμορφα. Το [email protected]/γραφένιο έχει μια τυπική πορώδη δομή. Οι χωρητικότητες εκφόρτισης και φόρτισης του αρχικού κύκλου για το [email protected]/γραφένιο είναι 2.210 mAh g −1 και 1.285 mAh g −1 , αντίστοιχα, σε πυκνότητα ρεύματος 1.000 mA g −1 . Η απόδοση Coulombic είναι 58,60%. Η αναστρέψιμη ειδική χωρητικότητα της ανόδου [email protected]/γραφενίου είναι 955 mAh g −1 μετά από 300 κύκλους. Η μέση αναστρέψιμη ειδική χωρητικότητα εξακολουθεί να διατηρεί 572 mAh g −1 ακόμη και στην υψηλή πυκνότητα ρεύματος των 5 Ag −1. Επιπλέον, εκτελούνται κυκλική βολταμετρία (CV) και φασματοσκοπία ηλεκτροχημικής σύνθετης αντίστασης (EIS) για την περαιτέρω διερεύνηση του παρασκευασμένου σύνθετου υλικού [email protected]/γραφενίου με μια υδροθερμική μέθοδο μικροκυμάτων. Ως αποτέλεσμα, το [email protected]/γραφένιο έχει επιδείξει καλύτερη ηλεκτροχημική απόδοση.
Εισαγωγή
Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου (LIBs) έχουν χρησιμοποιηθεί για τη λειτουργία διαφόρων ηλεκτρικών συσκευών την τελευταία δεκαετία και η χωρητικότητα, η απόδοση του ρυθμού και η σταθερότητα του κύκλου των LIB εξαρτώνται άμεσα από τα υλικά των ηλεκτροδίων (Yu et al., 2020; Cheng et al. , 2021). Μεταξύ των διαφόρων υλικών ανόδου, ο γραφίτης είναι το κύριο υλικό ανόδου των εμπορικών LIB, το οποίο έχει εξαιρετικές επιδόσεις ρυθμού λόγω των μικρών εσωτερικών αντιστάσεων, της γρήγορης κινητικής μεταφοράς ηλεκτρονίων και ιόντων λιθίου (Liu et al., 2016; Gong et al., 2020 ). Ωστόσο, οι εφαρμογές του στην αποθήκευση ενέργειας είναι περιορισμένες λόγω της χαμηλής θεωρητικής χωρητικότητας (372 mAh g −1), λαμβάνοντας υπόψη τις απαιτήσεις υψηλής ενεργειακής πυκνότητας από τα LIB (Chang et al., 2018; Liu et al., 2020). Προκειμένου να ανταποκριθεί στην αυξανόμενη ζήτηση και να επεκταθεί το φάσμα των εφαρμογών για LIB υψηλής απόδοσης, η ανάπτυξη προηγμένων υλικών ανόδου είναι ζωτικής σημασίας, όπως τα οξείδια με βάση το Sn (Hu et al., 2021; Kuriganova et al., 2016; Das et al., 2016), οξείδια με βάση Si (He et al., 2017; Xiang et al., 2017), οξείδια με βάση Sb (Zhou et al., 2019), οξείδια με βάση Fe (Li H. et al. ., 2021; Li et al., 2017), οξείδια που βασίζονται σε ομοιογένεια (Li Q. et al., 2021), οξείδια με βάση Ti (Huang et al., 2018), θειούχα μέταλλα μεταπτώσεως (Zhang et al., 2021 Xiao et al., 2021) και άλλοι (Gao et al., 2020; Karahan et al., 2019), μπορούν να παρέχουν την υψηλή θεωρητική ικανότητα αποθήκευσης λιθίου και να προσελκύσουν μεγάλη προσοχή.
Τα τελευταία χρόνια, το SnO2 έχει διερευνηθεί ως πιθανά υποψήφια άνοδος για LIB λόγω της χημικής του σταθερότητας, αφθονίας, χαμηλού κόστους, φιλικού προς το περιβάλλον και υψηλής θεωρητικής ειδικής χωρητικότητας (782 mAh g -1) (Zhang et al., 2016; Zhou et al., 2019). Ωστόσο, το SnO2 εμφανίζει συσσωμάτωση σωματιδίων και μεγάλες αλλαγές όγκου (gt;300%) κατά τη διάρκεια της λιθίωσης/απολιθίωσης και αυτά τα ελαττώματα οδηγούν σε κονιοποίηση των ενεργών υλικών, θραύση της ενδιάμεσης φάσης του στερεού ηλεκτρολύτη (SEI), ταχεία εξασθένιση της χωρητικότητας, κακή απόδοση κύκλου και κακή απόδοση ρυθμό απόδοσης (Li et al., 2016; Ding et al., 2018; Ming et al., 2018). Τα υλικά άνθρακα θεωρούνται μια αποτελεσματική στρατηγική για την αντιμετώπιση των προαναφερθέντων ελλείψεων. Επειδή ο άνθρακας μειώνει την αλλαγή όγκου, εμποδίζει την έκθεση της ενεργού ύλης στον ηλεκτρολύτη και ενισχύει την ηλεκτρική αγωγιμότητα του συνολικού ηλεκτροδίου και είναι εύκολος στον έλεγχο και εξαιρετικά αποτελεσματικός, με αποτέλεσμα σημαντικά βελτιωμένη ηλεκτροχημική απόδοση (Zhu et al., 2017; Zhao et al. al., 2019· Wang et al., 2020). Συγκεκριμένα,
Για να ξεπεραστούν αυτοί οι περιορισμοί, σε αυτήν την έκθεση, το σύνθετο [email protected]/γραφένιο έχει συντεθεί με μια υδροθερμική μέθοδο μικροκυμάτων. Τα χαρακτηριστικά της μεθόδου είναι η γρήγορη θέρμανση, η εύκολα ελεγχόμενη πίεση και θερμοκρασία, ο υψηλός ρυθμός απόδοσης και η καλή ομοιογένεια. Τα αποτελέσματά μας υποδεικνύουν ότι το [email protected]/γραφένιο μπορεί να βελτιώσει σημαντικά τις ιδιότητες LIB, κάτι που οφείλεται στη δομή του τρισδιάστατου δικτύου του [email protected]/γραφενίου και στη συνεργιστική επίδραση του γραφενίου και του [email protected] Αυτό το υλικό θα ξεπεράσει τα μειονεκτήματα του SnO2 και θα έδειχνε έναν πολλά υποσχόμενο υποψήφιο ως άνοδο για LIB.
Πειραματικός
Παρασκευή Οξειδίου του Γραφίτη και Οξειδίου του Γραφενίου
Ο διογκωμένος γραφίτης συντέθηκε από φυσικές μεγάλες νιφάδες γραφίτη με τη μέθοδο που αναφέρθηκε στην προηγούμενη εργασία μας (Liu et al., 2015). Το διάλυμα οξειδίου του γραφενίου συντέθηκε με μια τροποποίηση στη μέθοδο του Hummer. Εν συντομία, 2 g διογκωμένου γραφίτη προστέθηκαν σε ποτήρι ζέσεως 500 ml, ακολουθούμενα από 150 ml πυκνού θειικού οξέος. Το ποτήρι ζέσεως στη συνέχεια τοποθετήθηκε σε λουτρό πάγου-νερού και αναδεύτηκε για 10 λεπτά. Προστέθηκε αργά υπερμαγγανικό κάλιο (8 g) και αναδεύτηκε για 30 λεπτά, και στη συνέχεια το ποτήρι ζέσεως τοποθετήθηκε σε λουτρό νερού στους 35 uC και αναδεύτηκε με μηχανικό αναδευτήρα για 24 ώρες. Απιονισμένο νερό (100 ml) προστέθηκε στο ποτήρι ζέσεως στους 98 uC και αναδεύτηκε για 10 λεπτά. Στη συνέχεια, 40 ml Η2Ο2 (30%) προστέθηκαν στο μίγμα και αναδεύονταν συνεχώς για 1 ώρα. Το μίγμα διηθήθηκε και πλύθηκε με διαλύματα HCl 10% και H2O2 1% έως ότου το ρΗ ήταν 5. Οξείδιο γραφίτη 1 mg mLΤο −1 ως πρόδρομο υλικό απολεπίστηκε με υπερήχους υψηλής ισχύος για 30 λεπτά.
Παρασκευή [email protected]
Αρχικά, παρασκευάστηκαν 200 ml διαλύματος 0,04 mol·L -1 SnCl4 και 0,1 g σφαιρών άνθρακα διαλύθηκαν σε 20 ml απιονισμένου νερού. Στη συνέχεια, προστέθηκαν αργά 8 ml διαλύματος SnCl4. Το ληφθέν προϊόν υποβλήθηκε σε υπερήχους για περίπου άλλα 30 λεπτά για να εξασφαλιστεί η ομοιογενής διασπορά. Η αντίδραση μεταφέρθηκε σε ένα σφραγισμένο αυτόκλειστο από ανοξείδωτο χάλυβα με επένδυση από τεφλόν και διεξήχθη για υδροθερμική επεξεργασία στους 180°C για 8 ώρες. Προκειμένου να βελτιωθεί ο βαθμός ενανθράκωσης των σύνθετων υλικών [email protected], τα παρασκευασμένα δείγματα υποβλήθηκαν σε θερμική επεξεργασία για 120 λεπτά στους 500°C υπό αέριο άζωτο.
Παρασκευή σύνθετου υλικού [email protected]/Γραφενίου
Το παρασκευασμένο υλικό [email protected] προστέθηκε σε 120 ml υδατικού διαλύματος 1 mg ml -1 οξειδίου γραφενίου, ακολουθούμενο από επεξεργασία με υπερήχους για 30 λεπτά. Το μικτό διάλυμα μεταφέρθηκε σε δοχεία Teflon υψηλής πίεσης του συστήματος αντίδρασης μικροκυμάτων (Anton-Paar Synthos 3000). Η ισχύς του συστήματος, η θερμοκρασία, η πίεση και ο χρόνος αντίδρασης ήταν 1200 W, 180°C, 2,0 MPa και 60 λεπτά, αντίστοιχα. Το μαύρο ως συνθετικό προϊόν καθαρίστηκε αρκετές φορές με φυγοκέντρηση με απιονισμένο νερό και ξηράνθηκε στους 80°C.
Χαρακτηρισμός δείγματος
Τα υλικά χαρακτηρίστηκαν χρησιμοποιώντας ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM, Quanta 200F), ηλεκτρονικό μικροσκόπιο μετάδοσης (TEM, FEI Tecnai G2 F20) και περίθλαση ακτίνων Χ (XRD, Bruker D8 Advance με ακτινοβολία Cu Kα) που λειτουργούν στα 40 kV και 40 mA; Τα φάσματα Raman (Renishaw RM-1000) καταγράφηκαν χρησιμοποιώντας ένα φασματόμετρο Raman συν λέιζερ με μήκος κύματος δέσμης λέιζερ διέγερσης 514,5 nm. Η ανάλυση FTIR πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας πιεσμένους δίσκους KBr στην περιοχή 4.000–400 cm -1 χρησιμοποιώντας ένα φασματόμετρο PerkinElmer.
Ηλεκτροχημικές μετρήσεις
Οι ηλεκτροχημικές μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν με χρήση κυψελών τύπου νομίσματος CR2025. Το ηλεκτρόδιο εργασίας παρασκευάστηκε με τη μέθοδο που αναφέρθηκε στην προηγούμενη εργασία μας, η οποία ήταν ιλύς επικάλυψης που αποτελείται από δραστικό υλικό, PVDF (φθοριούχο πολυβινυλιδένιο) και μαύρο ακετυλένιο με αναλογία βάρους 80:10:10 σε NMP (Ν-μεθυλ-πυρρολιδόνη ) διαλύτης (Liu et al., 2015).
Αποτελέσματα
Μικροδομικός Χαρακτηρισμός
Ανάλυση περίθλασης ακτίνων Χ
Το σχήμα 1 δείχνει μοτίβα XRD του οξειδίου του γραφενίου, των σφαιρών άνθρακα/γραφενίου, του SnO2/γραφενίου και του [email protected]/γραφενίου. Το πρότυπο XRD του [email protected]/γραφενίου είναι παρόμοιο με αυτό του SnO2/γραφενίου. Οι προφανείς κορυφές περίθλασης στις 26,7°, 33,9°, 38,2° και 51,6° συνδέονται με (110), (101), (200) και (211) του κρυσταλλικού SnO2, αντίστοιχα (κάρτα JCPDS αρ. 41–1445) . Τα μοτίβα XRD του [email protected]/γραφενίου είναι διαφορετικά από τις σφαίρες άνθρακα/σύνθετα υλικά γραφενίου. Δεν υπάρχουν κορυφές περίθλασης γραφενίου κοντά στις 26° και 43°, υποδεικνύοντας ότι η επιφάνεια του γραφενίου είναι ομοιόμορφα φορτισμένη με το σύνθετο υλικό [email protected] και οι κορυφές περίθλασης του γραφενίου συμπίπτουν με σωματίδια SnO2 ή καλύπτονται από την κορυφή περίθλασης του Σύνθετο υλικό [email protected]
ΣΧΗΜΑ 1 . Σχέδια XRD οξειδίου γραφενίου, σφαιρών άνθρακα/γραφενίου, SnO2/γραφενίου και [email protected]/γραφενίου.
Ανάλυση Ηλεκτρονικού Μικροσκοπίου Σάρωσης
Το σχήμα 2 δείχνει εικόνες SEM δειγμάτων οξειδίου γραφενίου, [email protected] και [email protected]/γραφενίου. Το Σχήμα 2Α είναι μια τυπική εικόνα SEM του οξειδίου του γραφίτη, που δείχνει τα πολυεπίπεδα αιμοπετάλια που αποτελούνται από κατσαρά και ζαρωμένα φύλλα οξειδίου του γραφενίου. Επίσης, είναι προφανές ότι τα φύλλα οξειδίου του γραφενίου συσσωματώνονται και επικαλύπτονται λόγω μη επεξεργασίας με υπερήχους. Το σχήμα 2Β είναι μια τυπική εικόνα SEM του σύνθετου υλικού [email protected], που δείχνει ότι η διάμετρος του σύνθετου υλικού [email protected] είναι 100–120 nm. Τα σχήματα 2C,D είναι εικόνες SEM [email protected]/γραφενίου που παρασκευάζονται με την υδροθερμική μέθοδο μικροκυμάτων. Μπορεί να φανεί από τα Σχήματα 2C,D ότι το υλικό [email protected] είναι επικαλυμμένο με γραφένιο και κατανέμεται ομοιόμορφα στην επιφάνεια του γραφενίου. Το σύνθετο [email protected]/γραφένιο με τρισδιάστατη δομή συντίθεται με επιτυχία με υδροθερμική μέθοδο μικροκυμάτων.
ΕΙΚΟΝΑ 2 . Εικόνες SEM δειγμάτων οξειδίου γραφενίου (A) , [email protected] (B) και [email protected]/γραφενίου (C,D) .
Ανάλυση FTIR
Το σχήμα 3 δείχνει τα φάσματα FTIR σφαιρών άνθρακα/γραφενίου, SnO2/γραφενίου, [email protected] και [email protected]/γραφενίου. Η ευρεία κορυφή απορρόφησης στο εύρος των 3000–3500 cm -1 μπορεί να αποδοθεί σε δονήσεις τάνυσης O–H. Οι κορυφές απορρόφησης στα 1.565 cm −1 σφαιρών άνθρακα/γραφενίου και SnO2/γραφενίου και οι κορυφές απορρόφησης στα 1.587 cm −1 [email protected] και [email protected]/γραφενίου αποδίδονται όλες σε σκελετικές δονήσεις του C=C. Η κορυφή απορρόφησης στα 1.223 cm -1 αποδίδεται σε δονήσεις τάνυσης C–O, υποδεικνύοντας ότι μια μικρή ποσότητα λειτουργικών ομάδων που περιέχουν οξυγόνο εξακολουθεί να υπάρχει στο σύνθετο υλικό. Η κορυφή απορρόφησης SnO2/γραφενίου ανιχνεύεται στα 581 cm −1που αντιστοιχεί σε αντισυμμετρικές δονήσεις Sn–O–Sn. Οι κορυφές απορρόφησης [email protected] και [email protected]/γραφενίου ανιχνεύονται στα 686 cm −1 που αντιστοιχούν επίσης σε αντισυμμετρικές δονήσεις Sn–O–Sn. Από τα φάσματα FTIR του [email protected]/γραφενίου, γνωρίζουμε ότι οι χαρακτηριστικές ζώνες απορρόφησης αυτών των ομάδων οξειδίου μειώνονται προφανώς ή σχεδόν εξαφανίζονται, υποδεικνύοντας ότι το σύνθετο [email protected] μπορεί να ανθρακοποιηθεί περαιτέρω και το οξείδιο του γραφενίου αποοξειδώνεται για να παράγει γραφένιο κάτω από το υψηλό θερμοκρασία και υψηλή πίεση της υδροθερμικής μεθόδου μικροκυμάτων (Jiang et al., 2014; Liu et al., 2014).
ΕΙΚΟΝΑ 3 . Φάσματα FTIR σφαιρών άνθρακα/γραφενίου, SnO2/γραφενίου, [email protected] και [email protected]/γραφενίου.
Ανάλυση Raman
Το Σχήμα 4 δείχνει τα φάσματα Raman σφαιρών άνθρακα/γραφενίου, SnO2/γραφενίου, [email protected] και [email protected]/γραφενίου. Μπορεί να φανεί από το σχήμα ότι στα φάσματα Raman των σφαιρών άνθρακα/γραφενίου και του SnO2/γραφενίου, εμφανείς κορυφές υπάρχουν στα 1.346 cm −1 (ζώνη D) και 1.581 cm −1 (ζώνη G), αντίστοιχα. Ωστόσο, στα φάσματα Raman του [email protected] και του [email protected]/γραφενίου, οι κορυφές στα 1.357 cm −1 (ζώνη D) και 1.592 cm −1 (ζώνη G), αντίστοιχα, κινούνται προς τα πάνω κατά 11 cm −1. Η ενίσχυση μπορεί να αποδοθεί στην παρουσία νανοσωματιδίων SnO2, τα οποία φορτώνονται στα φύλλα γραφενίου και στις σφαίρες άνθρακα (Zhang et al., 2012). Η ζώνη D είναι ένδειξη ελαττωμάτων που σχετίζονται με κενές θέσεις, όρια κόκκων και άμορφα είδη άνθρακα (Wang et al., 2009). η ζώνη G αντιστοιχεί στη λειτουργία E2g του γραφίτη, η οποία σχετίζεται με τη δόνηση των ατόμων άνθρακα που συνδέονται με sp2 σε ένα δισδιάστατο εξαγωνικό πλέγμα (Zhang et al., 2012; Zuo et al., 2018). Ο λόγος έντασης (ID/IG) της ζώνης D προς τη ζώνη G σχετίζεται με την έκταση του βαθμού διαταραχής και το μέσο μέγεθος των περιοχών sp2 (Ferrari and Robertson, 2000; Feng et al., 2020). Η τιμή ID/IG του [email protected] είναι 0,62 και η τιμή ID/IG του [email protected]/γραφενίου είναι 0,83, υποδεικνύοντας ότι η διαταραγμένη δομή του [email protected]/γραφενίου είναι προφανώς ενισχυμένη.
ΕΙΚΟΝΑ 4 . Φάσματα Raman σφαιρών άνθρακα/γραφενίου, SnO2/γραφενίου, [email protected] και [email protected]/γραφενίου.
Το σχήμα 5 δείχνει την εικόνα EDS του [email protected]/γραφενίου, η οποία αποκαλύπτει την παρουσία άνθρακα, οξυγόνου και κασσίτερου. Η περιεκτικότητα σε στοιχείο [email protected] φαίνεται στον Πίνακα 1. Η περιεκτικότητα σε στοιχείο [email protected]/γραφένιο φαίνεται στον Πίνακα 2. Λόγω της προσθήκης γραφενίου, το κλάσμα μάζας του C αυξάνεται από 38,76% [email protected] σε 56,67 %, και τα κλάσματα μάζας του Ο και του Sn είναι 10,10% και 33,23%, αντίστοιχα. Το περιεχόμενο στοιχείου του C αυξάνεται και το περιεχόμενο του στοιχείου του O και του Sn μειώνεται, υποδεικνύοντας ότι η δομή του φύλλου στις εικόνες SEM είναι φύλλα γραφενίου.
ΕΙΚΟΝΑ 5 . Εικόνα EDS του [email protected]/γραφενίου.
ΠΙΝΑΚΑΣ 1 . Περιεχόμενο στοιχείου [email protected]
ΠΙΝΑΚΑΣ 2 . Περιεκτικότητα σε στοιχείο [email protected]/γραφένιο
Ηλεκτροχημική Ανάλυση Ιδιοτήτων
Το σχήμα 6 δείχνει τα πρώτα προφίλ φόρτισης-εκφόρτισης σφαιρών άνθρακα/γραφενίου, SnO2/γραφενίου, [email protected] και [email protected]/γραφενίου σε πυκνότητα ρεύματος 1.000 mA g −1 με εύρος τάσης 0,01–3 V. Οι χωρητικότητες πρώτης εκφόρτισης και ειδικού φορτίου του [email protected]/γραφενίου είναι 2.210 και 1.285 mAh g −1 , αντίστοιχα, και οι αποδόσεις Coulomb του πρώτου κύκλου είναι 58,60%. Επίσης, η πρώτη ικανότητα εκκένωσης του [email protected]/γραφενίου είναι υψηλότερη από αυτή των υλικών από άνθρακα/γραφένιο, [email protected] και SnO2/γραφένιο. Ο λόγος είναι ότι η τρισδιάστατη δομή δικτύου του [email protected]/γραφενίου έχει υψηλότερη ειδική επιφάνεια και περισσότερα ελαττώματα, τα οποία μπορούν να παρέχουν περισσότερες ενεργοποιημένες τοποθεσίες για αποθήκευση Li.
ΕΙΚΟΝΑ 6 . Πρώτα προφίλ φόρτισης-εκφόρτισης σφαιρών άνθρακα/γραφενίου, SnO2/γραφενίου, [email protected] και [email protected]/γραφενίου.
Το σχήμα 7 δείχνει τα προφίλ φόρτισης-εκφόρτισης του [email protected]/γραφενίου που κυκλοφόρησαν για τον πρώτο, δεύτερο, 10ο, 100ο, 200ο και 300ο κύκλο σε πυκνότητα ρεύματος 1.000 mA g −1 . Η πρώτη εκφόρτιση συμβαίνει λόγω της μη αναστρέψιμης απώλειας χωρητικότητας και οι καμπύλες φόρτισης-εκφόρτισης είναι πολύ παρόμοιες με τον 10ο κύκλο, υποδεικνύοντας ότι η δομή του ηλεκτροδίου [email protected]/γραφενίου είναι σχετικά σταθερή κατά τη διαδικασία φόρτισης-εκφόρτισης και Η απόδοση ποδηλασίας είναι καλύτερη σε μεγάλη πυκνότητα ρεύματος.
ΕΙΚΟΝΑ 7 . Τα προφίλ φόρτισης-εκφόρτισης [email protected]/γραφενίου κυκλοφόρησαν για τον 1ο, 2ο, 10ο, 100ο, 200ο και 300ο κύκλο σε πυκνότητα ρεύματος 1.000 mA g −1 .
Το σχήμα 8 δείχνει τις επιδόσεις του κύκλου του [email protected]/γραφενίου σε πυκνότητες ρεύματος 100 mA g −1 και 1.000 mA g −1 . Σε πυκνότητες ρεύματος 100 mA g −1 , η αναστρέψιμη ειδική χωρητικότητα του [email protected]/γραφενίου είναι 971 mAh g −1 μετά από 100 κύκλους με απόδοση Coulomb 99,6% και διατήρηση χωρητικότητας 65,7%. Σε πυκνότητες ρεύματος 1.000 mA g −1 , η αναστρέψιμη ειδική χωρητικότητα του [email protected]/γραφενίου είναι 820 mAh g −1 μετά από 100 κύκλους με απόδοση Coulomb 99,4% και διατήρηση χωρητικότητας 63,8%. Το αποτέλεσμα δείχνει ότι το [email protected]/γραφένιο έχει καλύτερη απόδοση ποδηλασίας σε μεγάλη πυκνότητα ρεύματος.
ΕΙΚΟΝΑ 8 . Αποδόσεις κύκλου [email protected]/γραφενίου σε διαφορετικές πυκνότητες ρεύματος.
Το σχήμα 9 δείχνει τις επιδόσεις του κύκλου των σφαιρών άνθρακα/γραφενίου, SnO2/γραφενίου, [email protected] και [email protected]/γραφενίου σε πυκνότητα ρεύματος 1.000 mA g −1 . Το ηλεκτρόδιο [email protected]/γραφενίου δείχνει καλύτερη απόδοση ποδηλασίας. Η αναστρέψιμη ειδική χωρητικότητα του [email protected]/γραφενίου (820 mAh g −1 ) μετά από 100 κύκλους είναι πολύ υψηλότερη από εκείνη των σφαιρών άνθρακα/γραφενίου (386 mAh g −1 ), του [email protected] (480 mAh g −1 ) και SnO2/γραφένιο (778 mAh g −1 ). Επίσης, η αναστρέψιμη ειδική χωρητικότητα του [email protected]/γραφενίου δείχνει μια τάση ανόδου με τον κύκλο φόρτισης-εκφόρτισης.
ΕΙΚΟΝΑ 9 . Επιδόσεις κύκλου σφαιρών άνθρακα/γραφενίου, SnO2/γραφενίου, [email protected] και [email protected]/γραφενίου σε πυκνότητα ρεύματος 1.000 mA g −1 .
Τα ηλεκτρόδια [email protected] και [email protected]/γραφενίου ανακυκλώνονται σε διαφορετικές πυκνότητες ρεύματος που κυμαίνονται από 1 Ag −1 έως 5 Ag −1 και στη συνέχεια αντιστρέφονται πίσω στην πυκνότητα ρεύματος 1 Ag −1 . Το σχήμα 10 δείχνει την ικανότητα ρυθμού των [email protected] και [email protected]/γραφενίου. Οι μέσες αναστρέψιμες ειδικές χωρητικότητες του υλικού ηλεκτροδίου [email protected] σε διαφορετικές πυκνότητες ρεύματος είναι 634 mAh g −1 , 265 mAh g −1 , 140 mAh g −1 , 76 mAh g −1 και 22 mAh g −1 . Όταν η πυκνότητα ρεύματος μειωθεί σε 1 A g −1 , η μέση αναστρέψιμη ειδική χωρητικότητα είναι 277 mAh g −1μετά από 10 κύκλους, και η διατήρηση της χωρητικότητας του [email protected] είναι 43,7%. Σε σύγκριση με το [email protected], τα σύνθετα υλικά [email protected]/γραφενίου παρουσιάζουν πολύ καλύτερη απόδοση ρυθμού. Οι μέσες αναστρέψιμες ειδικές χωρητικότητες του υλικού ηλεκτροδίου [email protected]/γραφενίου σε πυκνότητες ρεύματος 1 A g −1 , 2 A g −1 , 3 A g −1 , 4 A g −1 και 5 A g −1 είναι 1.052 mAh g −1 , 779 mAh g −1 , 676 mAh g −1 , 625 mAh g −1 , και 572 mAh g −1 , αντίστοιχα. Όταν η πυκνότητα ρεύματος μειωθεί σε 1 A g −1 , η μέση αναστρέψιμη ειδική χωρητικότητα είναι 788 mAh g −1μετά από 10 κύκλους και η διατήρηση της χωρητικότητας του [email protected]/γραφενίου είναι 74,9%. Μπορεί να φανεί ότι η απόδοση του ρυθμού [email protected]/γραφενίου είναι πολύ μεγαλύτερη από αυτή του [email protected] Αυτό δείχνει ότι η παρουσία γραφενίου και η συνεργιστική επίδραση του γραφενίου και του [email protected] παίζουν σημαντικό ρόλο, που βελτιώνει την απόδοση του ρυθμού του υλικού ηλεκτροδίων.
ΕΙΚΟΝΑ 10 . Δυνατότητα βαθμολόγησης [email protected] και [email protected]/γραφενίου.
Ο μηχανισμός συνέργειας μεταξύ [email protected] και [email protected]/γραφενίου διερευνάται με κυκλική βολταμετρία. Το σχήμα 11 και το σχήμα 12 αντιπροσωπεύουν το CV του [email protected] και του [email protected]/γραφενίου για τους κύκλους 1 έως 3 στην περιοχή τάσης 0,01–3,00 V σε 0,1 mV·s −1. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 11, μια προφανής κορυφή γύρω στα 0,85 V βρίσκεται στην καμπύλη καθοδικής πόλωσης του πρώτου κύκλου, η οποία μπορεί να αποδοθεί στον σχηματισμό ενός στρώματος διεπαφής στερεού ηλεκτρολύτη (SEI) στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου από τη μείωση της αποσύνθεσης ηλεκτρολυτών και της μείωσης του SnO2 (Wang et al., 2017; Narsimulu et al., 2018). Η κορυφή της καθόδου εμφανίζεται στο δυναμικό που κυμαίνεται από 0,01 έως 0,30 V, το οποίο οφείλεται κυρίως στον σχηματισμό LixSn και Li παρεμβολή σε σφαίρες νανο άνθρακα (Kim et al., 2012). Στη συνέχεια, μπορεί να φανεί από την καμπύλη ανοδικής πόλωσης του πρώτου κύκλου, οι κορυφές οξείδωσης περίπου στα 0,22 και 0,75 V αποδίδονται κυρίως στην αποκραματοποίηση του LixSn, η οποία αντιστοιχεί στην αντίθετη διαδικασία της κράματος Li-Sn (Thomas και Mohan Rao, 2014· Shi et al., 2017). Η κορυφή της οξείδωσης είναι περίπου 1.
ΕΙΚΟΝΑ 11 . Καμπύλες CV σύνθετου [email protected]
ΕΙΚΟΝΑ 12 . Καμπύλες CV [email protected]/γραφενίου.
Στο Σχήμα 12, σε σύγκριση με το υλικό ηλεκτροδίου [email protected], υπάρχει μια χαμηλή κορυφή καθόδου του υλικού ηλεκτροδίου [email protected]/γραφενίου στα περίπου 1,25 V μετά τον πρώτο κύκλο. Υποδεικνύει ότι το [email protected]/γραφένιο καταναλώνει πολύ λιγότερο Li από το [email protected] και έχει μικρότερη μη αναστρέψιμη χωρητικότητα. Επομένως, η πρώτη απόδοση Coulomb του υλικού ηλεκτροδίου [email protected]/γραφενίου βελτιώνεται σημαντικά.
Το Σχήμα 13 και το Σχήμα 14 παρουσιάζουν τις γραφικές παραστάσεις Nyquist του [email protected] και [email protected]/γραφενίου με την εφαρμογή τάσης AC 5 mV στην περιοχή συχνοτήτων 0,01–100 kHz. Στο Σχήμα 13 και στο Σχήμα 14, φαίνεται ότι η ημικυκλική ακτίνα της καμπύλης Nyquist του [email protected]/γραφενίου στην περιοχή υψηλής-μέσης συχνότητας είναι σημαντικά μικρότερη από εκείνη του [email protected] μετά τον 10ο κύκλο και τον 100ο κύκλο. Αυτό το αποτέλεσμα δείχνει ότι το Rct του [email protected]/γραφενίου είναι προφανώς μικρότερο από αυτό του [email protected] και η προσθήκη γραφενίου μπορεί να βελτιώσει την αγωγιμότητα του υλικού του ηλεκτροδίου.
ΕΙΚΟΝΑ 13 . Οικόπεδα Nyquist [email protected]
ΕΙΚΟΝΑ 14 . Οικόπεδα Nyquist [email protected]/γραφενίου.
Το σχήμα 15 παρουσιάζει το ισοδύναμο κύκλωμα Randles για [email protected] και [email protected]/γραφένιο. Το Re αντιπροσωπεύει την αντίσταση που επιβάλλεται από τον ηλεκτρολύτη, το ηλεκτρόδιο και το διάφραγμα. Τα Rf και CPE1 αντιπροσωπεύουν την αντίσταση της μεμβράνης διεπαφής στερεού ηλεκτρολύτη (SEI) δίπλα στο ηλεκτρόδιο και τη χωρητικότητα. Το Rct και το CPE2 αντιπροσωπεύουν την αντίσταση μεταφοράς φορτίου και τον ηλεκτρικό πυκνωτή διπλής στρώσης. Το Zw αντιπροσωπεύει την αντίσταση Warburg που σχετίζεται με τη διάχυση των ιόντων λιθίου στο υλικό του ηλεκτροδίου. Ο Πίνακας 3 είναι οι κινητικές παράμετροι των ηλεκτροδίων [email protected] και [email protected]/γραφενίου. Η ηλεκτροχημική αντίσταση του [email protected] και του [email protected]/γραφενίου είναι 297,6 Ω cm 2 και 257,5 Ω cm 2 , αντίστοιχα, πριν από τη φόρτιση και την εκφόρτιση. Η ηλεκτροχημική αντίσταση του [email protected] και του [email protected]/γραφενίου είναι 109,3 Ω cm2 και 45,8 Ω cm 2 μετά από 10 κύκλους, αντίστοιχα. Η ηλεκτροχημική αντίσταση του [email protected] και του [email protected]/γραφενίου είναι 150,3 Ω cm 2 και 82,4 Ω cm 2 μετά από 100 κύκλους, αντίστοιχα. Αυτό το αποτέλεσμα δείχνει περαιτέρω ότι η προσθήκη γραφενίου μπορεί να βελτιώσει την αγωγιμότητα του υλικού του ηλεκτροδίου. Επομένως, σε σύγκριση με το [email protected], η αναστρέψιμη ειδική χωρητικότητα και η απόδοση του ρυθμού του υλικού ηλεκτροδίου [email protected]/γραφενίου βελτιώνονται σημαντικά.
ΕΙΚΟΝΑ 15 . Randles ισοδύναμο κύκλωμα για [email protected] και [email protected]/γραφένιο.
ΠΙΝΑΚΑΣ 3 . Κινητικές παράμετροι των ηλεκτροδίων [email protected] και [email protected]/γραφενίου.
συμπέρασμα
Το σύνθετο υλικό [email protected]/γραφενίου συντίθεται επιτυχώς με μια υδροθερμική μέθοδο μικροκυμάτων για μπαταρίες ιόντων λιθίου. Λόγω του πλεονεκτήματος της σύνθετης δομής, οι πρώτες ειδικές χωρητικότητες εκφόρτισης και φορτίου του [email protected]/γραφενίου είναι 2.210 και 1.285 mAh g −1 , αντίστοιχα. η απόδοση Coulomb είναι 58,60%. Η αναστρέψιμη ειδική χωρητικότητα του [email protected]/γραφενίου είναι 820 mAh g −1 μετά από 100 κύκλους. Η μέση αναστρέψιμη ειδική χωρητικότητα του υλικού ηλεκτροδίου [email protected]/γραφενίου ακόμη και σε πυκνότητα ρεύματος 5 A g −1 είναι 572 mAh g −1. Το υλικό ηλεκτροδίων [email protected]/γραφενίου έχει καλύτερη ηλεκτροχημική απόδοση αποθήκευσης λιθίου, η οποία αποδίδεται κυρίως στη δομή τρισδιάστατου δικτύου του [email protected]/γραφενίου και στη συνεργιστική επίδραση του γραφενίου και του [email protected] Οι νανοσφαίρες άνθρακα με καλύτερη διασπορά και δομή ομοιογένειας όχι μόνο σταθεροποιούν τα νανοσωματίδια SnO2 αλλά και ρυθμίζουν την επέκταση όγκου των νανοσωματιδίων SnO2. Το γραφένιο μπορεί να αποτρέψει τη συσσωμάτωση του [email protected], να βελτιώσει την ηλεκτρική αγωγιμότητα και επίσης να ρυθμίσει την επέκταση του όγκου των νανοσωματιδίων SnO2. Επομένως, το γραφένιο μπορεί να βελτιώσει την ηλεκτροχημική απόδοση αποθήκευσης λιθίου του υλικού ηλεκτροδίων [email protected]/γραφενίου.
Δήλωση διαθεσιμότητας δεδομένων
Οι αρχικές συνεισφορές που παρουσιάζονται στη μελέτη περιλαμβάνονται στο άρθρο/Συμπληρωματικό Υλικό. περαιτέρω έρευνες μπορούν να απευθύνονται στους αντίστοιχους συγγραφείς.
Συνεισφορές Συγγραφέων
Η L-LL είναι υπεύθυνη για το σχεδιασμό και την ολοκλήρωση των πειραμάτων. Τα M-YL και Y-HS είναι υπεύθυνα για τις ηλεκτροχημικές δοκιμές απόδοσης. Τα X-YY και M-XM είναι υπεύθυνα για τη μορφολογία και τον χαρακτηρισμό της δομής. Η HW είναι υπεύθυνη για την αναζήτηση και ανασκόπηση της βιβλιογραφίας. Η Μ-ΖΑ διατύπωσε τις εποικοδομητικές εισηγήσεις για την αναθεώρηση του χειρογράφου.
Χρηματοδότηση
Η εργασία υποστηρίζεται από το Ίδρυμα Φυσικών Επιστημών της επαρχίας Heilongjiang (No. LH 2021B026), το First Class Postdoctoral Fund of Heilongjiang Province (No. LBH-Z16202) και το National Science Foundation of China (No. 51604102).
Σύγκρουση συμφερόντων
Ο συγγραφέας L-LL ήταν συνεκπαιδευόμενος μεταδιδακτορικός συνεργάτης που εργάστηκε στον Μεταδιδακτορικό Σταθμό Εργασίας Baotailong New Materials Co. LTD και στον Μεταδιδακτορικό Ερευνητικό Σταθμό του Ινστιτούτου Τεχνολογίας του Harbin.
Οι υπόλοιποι συγγραφείς δηλώνουν ότι η έρευνα διεξήχθη απουσία εμπορικών ή οικονομικών σχέσεων που θα μπορούσαν να ερμηνευθούν ως πιθανή σύγκρουση συμφερόντων.
Σημείωση εκδότη
Όλοι οι ισχυρισμοί που εκφράζονται σε αυτό το άρθρο είναι αποκλειστικά αυτοί των συγγραφέων και δεν αντιπροσωπεύουν απαραιτήτως αυτούς των συνδεδεμένων οργανισμών τους ή του εκδότη, των συντακτών και των κριτικών. Οποιοδήποτε προϊόν μπορεί να αξιολογηθεί σε αυτό το άρθρο ή ισχυρισμός που μπορεί να προβληθεί από τον κατασκευαστή του, δεν είναι εγγυημένο ή εγκεκριμένο από τον εκδότη.
[email protected]/γραφένιο, Πορώδης δομή, Ηλεκτροχημική απόδοση, μπαταρίες ιόντων λιθίου, Υδροθερμικό φούρνο μικροκυμάτων