Manufaktur industri
Industri Internet of Things | bahan industri | Pemeliharaan dan Perbaikan Peralatan | Pemrograman industri |
home  MfgRobots >> Manufaktur industri >  >> Industrial materials >> bahan nano

Pengaruh Perawatan Diaktifkan Kriogenik Dalam pada Karbon Berasal Batang Rami yang Digunakan sebagai Anoda untuk Baterai Lithium-Ion

Abstrak

Proses kriogenik telah banyak diterapkan di berbagai bidang, namun jarang dilaporkan dalam pembuatan bahan anoda untuk baterai lithium-ion. Dalam makalah ini, karbon aktif yang berasal dari batang rami disiapkan dengan karbonisasi dan aktivasi; kemudian dilakukan perlakuan kriogenik untuk mendapatkan karbon aktif kriogenik. Hasil karakterisasi menunjukkan bahwa karbon aktif kriogenik (CAC) memiliki struktur pori yang lebih kaya dibandingkan karbon aktif (AC) tanpa perlakuan kriogenik, dan luas permukaan spesifiknya adalah 1727,96 m 2 /G. Karbon berpori memiliki kapasitas reversibel yang sangat baik sebesar 756,8 mAh/g setelah 100 siklus pada 0,2 C sebagai anoda baterai lithium-ion, di mana kinerja elektrokimia CAC sangat meningkat karena struktur porinya yang baik. Ini memberikan ide baru untuk persiapan bahan anoda untuk baterai lithium-ion berkapasitas tinggi.

Pengantar

Karena limbah pertanian, seperti sekam padi, batang, dan serat, memiliki keunggulan sumber daya yang kaya dan reproduktifitas, para peneliti menaruh perhatian besar pada pengembangan dan penerapan limbah pertanian ini, yang biasanya tidak terlihat. Saat ini, ada banyak kemajuan inovatif dalam penelitian dan penerapan bahan karbon biomassa, memberikan dukungan teoritis yang baik untuk persiapan bahan anoda berkualitas tinggi untuk baterai lithium-ion. Banyak peneliti terus-menerus mencoba sumber karbon biomassa baru dan proses pengolahan untuk meningkatkan kualitas karbon biomassa dan menerapkannya ke berbagai bidang. Sebagai metode pengobatan tradisional, pengobatan aktivasi dapat secara efektif meningkatkan porositas material dan meningkatkan situs aktif [1,2,3,4,5]. Pan dkk. menggunakan K2 FeO4 untuk menyelesaikan karbonisasi dan grafitisasi simultan arang bambu, yang membutuhkan waktu lebih sedikit dan memiliki efisiensi tinggi [1]. Dalam pengolahan karbon biomassa, metode hidrotermal semakin banyak digunakan dalam produksi saat ini dan penelitian ilmiah [6,7,8,9,10,11]. Yang dkk. mengekstrak hemiselulosa dari batang rami dan menyiapkannya menjadi bola karbon berbentuk baik dengan hidrotermal suhu rendah dan aktivasi KOH, yang merupakan bahan berkelanjutan yang potensial untuk aplikasi energi dan lingkungan [6]. Ukuran struktural karbon biomassa dapat dikontrol secara lebih akurat dan efektif dengan metode templat. Selain itu, metode template memiliki keuntungan besar dalam mengontrol ukuran material dan memiliki prospek aplikasi yang besar [12,13,14,15]. Lin dkk. menyiapkan karbon keras berpori hierarkis dari serbuk gergaji kayu karet melalui metode hard template berbasis ZnO dan menerapkannya pada baterai ion natrium [12]. Meskipun metode penelitian bahan karbon biomassa saat ini mendekati kematangan, pengembangan metode proses baru dan bahan baru masih merupakan arah pengembangan bahan elektroda [16,17,18,19,20].

Proses kriogenik adalah jenis baru dari teknologi pemrosesan material, dan lebih banyak digunakan di bidang logam saat ini. Perlakuan kriogenik dapat memperbaiki ukuran kristal logam untuk mencapai sifat mekanik yang sangat baik [21,22,23,24]. Abrosimova dkk. menyelidiki pengaruh perlakuan kriogenik pada peremajaan fase amorf paduan berbasis Al [21]. Li dkk. mengeksplorasi efek pengobatan kriogenik (CT) pada sifat mekanik dan struktur mikro superalloy IN718 [22]. Perawatan kriogenik juga memiliki aplikasi yang sangat baik di bidang material komposit dan serat [25,26,27,28,29,30,31,32]. Shao dkk. mengeksplorasi efek perlakuan suhu rendah pada karakteristik antarmuka dan hambatan listrik komposit serat karbon nanotube (CNT) / epoksi [25]. Selain itu, pengobatan kriogenik juga telah membuat prestasi di bidang lain [33,34,35]. Lagu dkk. merangkum karakteristik teknologi kriogenik untuk CO2 menangkap [33]. Guo dkk. mengevaluasi efek dari berbagai kondisi eksperimental pada perilaku regenerasi kaca metalik berbasis Zr selama perawatan siklus kriogenik dalam [35]. Perawatan kriogenik memiliki peran yang luar biasa di banyak bidang dan cukup diterapkan, tetapi hanya ada sedikit laporan tentang perawatan bahan karbon biomassa dan menerapkannya ke dalam baterai lithium-ion.

Dalam makalah ini, proses cryogenic treatment, metode perlakuan fisik murni, diterapkan untuk meningkatkan kualitas karbon aktif, sehingga dapat membentuk lebih banyak pori-pori yang melebar dan membuat struktur keseluruhan relatif stabil, yang bermanfaat untuk meningkatkan kinerja elektrokimia selanjutnya. . Bahan karbon aktif diperoleh dengan mengaktifkan batang rami, dan kemudian perlakuan kriogenik untuk lebih memperlebar ukuran pori, menstabilkan struktur karbon, dan mengubah sifat fisik dan kimia bahan. Karbon aktif kriogenik yang diperoleh diberi nama CAC dan diaplikasikan ke dalam anoda untuk baterai lithium-ion, yang memiliki kapasitas spesifik yang tinggi. Metode ini merupakan cara persiapan yang ideal untuk mewujudkan anoda dengan kapasitas spesifik yang tinggi, berbiaya rendah, dan berefisiensi tinggi untuk baterai lithium-ion.

Bahan dan Metode

Persiapan Karbon Aktif Kriogenik Berasal dari Batang Rami

Batang rami diperoleh dari ladang Provinsi Heilongjiang, Cina. Seperti yang ditunjukkan pada diagram skema Gambar. 1, karbon aktif dibuat menggunakan metode [36] yang rasio massa 1:5 dan suhu campuran 500 °C. Karbon aktif kering ditempatkan dalam cryostat dan didinginkan secara bertahap hingga -185 °C selama 2  jam, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2. Kemudian, dikembalikan ke suhu kamar untuk mendapatkan bahan karbon aktif kriogenik. Sampel karbon aktif kriogenik dilambangkan sebagai CAC-β , di mana β adalah suhu aktivasi. Sampel yang juga diaktifkan pada 500 °C tanpa menjalani perlakuan kriogenik dilambangkan sebagai AC-500.

Ilustrasi skema untuk menyiapkan karbon aktif kriogenik dengan struktur berpori

a Kurva proses perlakuan kriogenik. b Ruang kriogenik yang dikendalikan program

Karakterisasi Material

Struktur mikro karbon aktif diamati dengan mikroskop elektron pemindaian emisi lapangan (JEOL JSM-6700F) dan mikroskop elektron transmisi (JEM-2100F). Pola difraksi sinar-X (XRD) serbuk batang rami diamati dengan Difraktometer sinar-X Siemens D5000. Luas permukaan spesifik dan distribusi ukuran pori bahan karbon diukur dengan pengukuran adsorpsi-desorpsi nitrogen (Micromeritics, ASAP2420). Spektrum Raman diamati dengan instrumen Renishaw inVia.

Pengukuran Elektrokimia

Menggunakan karbon aktif kriogenik, baterai kancing disiapkan menggunakan metode [36]. Setelah perakitan, uji kinerja siklus baterai tombol dilakukan dengan sistem uji baterai LAND pada rentang tegangan 0,02~3 V. Kurva voltametri siklik (CV) dan uji impedansi dilakukan pada stasiun kerja elektrokimia.

Hasil dan Diskusi

Karakterisasi Struktural dan Morfologis

Karbon aktif yang berasal dari batang rami diperoleh melalui karbonisasi dan pra-perlakuan aktivasi seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3a. Setelah perlakuan kriogenik, morfologi CAC-500 tidak mengalami perubahan lain secara keseluruhan, kecuali lebih terfragmentasi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3b, yang disebabkan oleh peningkatan kerapuhan AC-500 dan terjadi keretakan pada perlakuan kriogenik. Bahan yang terfragmentasi dapat menyediakan situs yang lebih aktif karena sejumlah besar struktur seperti lembaran dan celah seperti celah. Keduanya adalah karbon amorf secara keseluruhan, dan tidak ada pori-pori makro yang terlihat. Pada perbesaran besar, AC-500 dan CAC-500 memiliki struktur pori yang kaya, dan sebagian besar berpori mikro atau mesopori, yang akan memfasilitasi penyimpanan dan transmisi ion litium seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3e dan f.

a Gambar SEM AC-500. b Gambar SEM dari CAC-500. c Pola TEM AC-500. d Pola TEM dari CAC-500. e Pola HRTEM AC-500. f Pola HRTEM dari CAC-500

Pola difraksi sinar-X dari dua sampel yang diperoleh sebelum dan sesudah kriogenik ditunjukkan pada Gambar 4a. Jelas bahwa ada dua puncak difraksi yang berbeda pada 22° dan 44°, masing-masing sesuai dengan bidang kristal (002) dan (100) dari struktur grafit. Puncak difraksi 22° disebabkan oleh adanya serpihan grafit paralel yang terus menerus, sedangkan puncak difraksi 44° disebabkan oleh struktur sarang lebah yang dibentuk oleh hibridisasi sp2. Selain itu, kedua sampel menunjukkan karakteristik bahan karbon amorf tradisional karena tidak adanya puncak difraksi yang tajam.

a pola difraksi sinar-X. b Spektrum Raman AC-500 dan CAC-500

Spektrum Raman AC-500 dan CAC-500 ditunjukkan pada Gambar. 4b. Bahan penarik memiliki puncak D dan puncak G yang jelas. Puncak D disebabkan oleh cacat material, sedangkan puncak G dihasilkan oleh getaran sp 2 atom karbon hibrida dari lembaran grafit. Rasio intensitas puncak D ke puncak G biasanya digunakan untuk mengkarakterisasi tingkat cacat material. Dengan demikian, rasio yang dihitung dari AC-500 dan CAC-500 adalah 0,7937 dan 0,6899. Hal ini menunjukkan bahwa kedua bahan tersebut memiliki amorf yang tinggi dan lebih banyak tepi dan cacat, yang dapat menyediakan situs yang lebih aktif untuk penyisipan ion litium, sehingga menunjukkan kinerja elektrokimia yang unggul.

Gambar 5 menampilkan luas permukaan spesifik dan distribusi ukuran pori dari kedua bahan tersebut. Luas permukaan spesifik AC-500 dan CAC-500 adalah 2024 m 2 /g dan 1728 m 2 /g, masing-masing. Luas permukaan spesifik yang lebih rendah menunjukkan bahwa bahan CAC-500 memiliki lebih banyak makropori dan mesopori, yang akan meningkatkan efisiensi penyisipan siklus dan ekstraksi ion lithium [37]. Pada saat yang sama, ukuran pori adsorpsi rata-rata yang sesuai dari AC-500 dan CAC-500 adalah 2,651 nm dan 3,547 nm. Kurva adsorpsi dan desorpsi isoterm pada Gambar 5a menunjukkan bahwa tipe AC-500 dan CAC-500 adalah tipe I dan tipe IV, dan tipe loop histeresis tertutup berturut-turut adalah H4 dan H1,. Jelas, dipastikan bahwa AC-500 memiliki lebih banyak struktur mikro, sedangkan CAC-500 memiliki sejumlah besar struktur mesopori. Selain itu, sampel CAC-500 mencerminkan lubang silinder dengan diameter seragam di kedua ujungnya, yang dapat diwujudkan dengan material mesopori dengan distribusi ukuran pori yang relatif sempit.

a Kurva adsorpsi-desorpsi isotermal AC-500 dan CAC-500. b Distribusi ukuran pori AC-500 dan CAC-500

Karakterisasi Elektrokimia

Gambar 6a menunjukkan bahwa kinerja siklus charge-discharge karbon aktif kriogenik oleh suhu aktivasi yang berbeda pada tingkat 0,2 C, di mana arus yang sesuai dengan 1 C adalah 372 mA. Jelas, CAC-500 menunjukkan kinerja bersepeda yang sangat baik sebesar 740 mAh/g. Dibandingkan dengan CAC-600 dan CAC-700, CAC-500 melakukan kinerja siklus yang lebih baik yang berasal dari struktur mesopori dan mikropori yang melimpah di dalam material. Kapasitas spesifik debit pertama dan kapasitas spesifik pengisian CAC-500 masing-masing adalah 2469,7 mAh/g dan 1168,1 mAh/g. Efisiensi coulomb yang relatif buruk dari siklus pertama (hanya sekitar 36%) sesuai dengan karakteristik umum kinerja siklus baterai lithium-ion [38, 39]. Ini adalah sejumlah besar ion lithium yang dikonsumsi oleh film antarmuka elektrolit padat (SEI) yang terbentuk pada siklus pertama karena luas permukaan spesifik yang besar yang menyebabkan hilangnya kapasitansi besar pada siklus pertama. Selain itu, efisiensi coulomb lainnya adalah sekitar 100%, menunjukkan bahwa AC-600 memiliki tingkat kehilangan kapasitas yang kecil. Gambar 6b ​​dan c menunjukkan kurva pengisian dan pengosongan dari siklus pertama hingga siklus ke-100 AC-500 dan CAC-500, di mana kurva pengisian dan pengosongan secara bertahap menjadi konsisten seiring dengan bertambahnya jumlah siklus. Kurva pelepasan CAC-500 pada siklus ke-20, ke-50, dan ke-100 hampir sepenuhnya bertepatan, sedangkan AC-500 memiliki tingkat kebetulan yang lebih rendah dan menunjukkan kinerja elektrokimia yang tidak stabil, menyiratkan stabilitas CAC-50 yang lebih baik dalam kinerja elektrokimia.

a Kurva kinerja siklus. b Kurva tegangan charge-discharge AC-500. c Kurva tegangan charge-discharge CAC-500. d Nilai kinerja AC-500 dan CAC-500

Gambar 6d memplot kinerja debit laju bahan yang disiapkan pada kerapatan arus 0,2–5 C. Kemampuan laju yang baik dapat diamati untuk CAC-500 dengan kapasitas debit rata-rata 615.7 mAh/g, 467,1 mAh/g, 336,9 mAh /g, 225.4 mAh/g, dan 80.6 mAh/g pada kerapatan arus 0,2 C, 0,5 C, 1 C, 2 C, dan 5 C, secara terpisah. Patut dicatat bahwa kinerja awal AC-600 tinggi meskipun kapasitasnya turun secara signifikan pada perbesaran besar. Namun, kinerja CAC-500 masih dapat dipulihkan ke kapasitas reversibel yang lebih tinggi yaitu 627 mAh/g saat laju pelepasan dikembalikan ke 0,2 C, yang menunjukkan retensi kapasitas yang lebih baik dari CAC-500. Sebaliknya, kapasitas kinerja AC-500 yang lebih rendah ditunjukkan dengan kapasitas debit rata-rata 480,7 mAh/g, 320,8 mAh/g, 233,8 mAh/g, 162,4 mAh/g, 95 mAh/g, dan 394,1 mAh/g pada kepadatan arus yang sama dengan CAC-500, yang disebabkan oleh peningkatan situs aktif dan perluasan struktur pori yang disebabkan oleh perlakuan kriogenik.

Gambar 7a dan b menunjukkan tiga siklus awal kurva volt-ampere (CV) siklik pada laju pemindaian 0,1 mV/s antara 0,01 dan 3,0 V. Jelas, terdapat puncak tajam sekitar 0,7 V dan puncak lemah sekitar 1,35 V pada proses reduksi lingkaran pertama, menunjukkan bahwa telah dimulai reaksi irreversible antara elektroda dan elektrolit [40]. Perhatikan bahwa penguraian elektrolit pada permukaan elektroda dan pembentukan film SEI yang mengarah pada pembentukan puncak sekitar 0,7 V. Hilangnya puncak-puncak ini pada siklus kedua dan ketiga berikutnya adalah karena reaksi ireversibel pada siklus pertama. Pada siklus pertama, proses deinterkalasi lithium terjadi pada puncak anodik sekitar 0,25 V, yang konsisten dengan zat karbon yang dilaporkan [1, 40]. Baik AC-500 dan CAC-500 memiliki kecenderungan untuk secara bertahap bertepatan dengan siklus kedua dan ketiga berikutnya, dan lingkaran kedua dan ketiga sepenuhnya bertepatan pada Gambar. 7, menunjukkan stabilitas bahan elektroda yang baik.

a Profil voltamogram siklik AC-500. b Profil voltamogram siklik dari CAC-500

Kami juga menguji spektrum impedansi AC-500 dan CAC-500 untuk menunjukkan lebih lanjut kinetika elektroda selama pengangkutan ion lithium, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8. Resistansi kontak AC-500 yang lebih besar daripada CAC-500 dapat dijelaskan oleh perbedaan wilayah frekuensi tinggi. Meskipun tidak ada perbedaan mencolok dalam impedansi transfer muatan yang sesuai dengan wilayah IF, impedansi difusi yang sesuai dengan wilayah frekuensi tinggi CAC-500 secara signifikan lebih kecil daripada AC-500. Hasil ini menunjukkan bahwa AC-500 setelah perlakuan kriogenik memiliki impedansi kecil, yang disebabkan lebih banyak mesopori yang dihasilkan oleh karbon aktif setelah produksi kriogenik, sehingga mengurangi resistensi difusi ion litium.

Spektrum impedansi AC-500 dan CAC-500

Kesimpulan

Karbon aktif yang berasal dari batang rami memiliki struktur pori yang kaya, dan sebagian besar pori-porinya berpori mikro. Selanjutnya, perlakuan kriogenik dari karbon aktif tidak hanya memperlebar diameter pori material, tetapi juga menghasilkan lebih banyak mesopori, yang mengurangi impedansi dan meningkatkan kinerja elektrokimia. Karbon aktif kriogenik memiliki luas permukaan 1728 m 2 /g dan kapasitas spesifik yang sangat baik sebesar 756,8 mAh/g, menjadikannya bahan yang ideal untuk bahan anoda baterai lithium-ion. Pembuatan karbon aktif kriogenik yang berasal dari batang rami untuk baterai lithium-ion tidak hanya berhasil menerapkan batang rami, tetapi juga memberikan ide baru untuk pengembangan bahan anoda untuk baterai lithium-ion.

Ketersediaan Data dan Materi

Kesimpulan yang dibuat dalam naskah ini didasarkan pada data yang semuanya disajikan dan ditampilkan dalam makalah ini.

Singkatan

CAC:

Karbon aktif kriogenik

AC:

Karbon aktif

CV:

Voltametri siklik

SEI:

Antarmuka elektrolit padat

DMC:

Dimetil karbonat

EC:

Etilen karbonat

EMC:

Etil metil karbonat


bahan nano

  1. Untuk Apa Pembungkus Serat Karbon Digunakan?
  2. Tingkat PVDF Terbarukan untuk Baterai Lithium-Ion
  3. Komposit Mekanik LiNi0.8Co0.15Al0.05O2/Carbon Nanotubes dengan Peningkatan Kinerja Elektrokimia untuk Baterai Lithium-Ion
  4. Komposit MoS2/Acetylene Black Berlapis Sedikit sebagai Bahan Anoda yang Efisien untuk Baterai Lithium-Ion
  5. Persiapan Mikromaterial Hibrida MnO2 Berlapis PPy dan Peningkatan Performa Sikliknya sebagai Anoda untuk Baterai Lithium-Ion
  6. Pengaruh Pengikat Berbeda pada Kinerja Elektrokimia Anoda Oksida Logam untuk Baterai Lithium-Ion
  7. Na4Mn9O18/Karbon Nanotube Komposit sebagai Bahan Kinerja Elektrokimia Tinggi untuk Baterai Natrium-Ion Berair
  8. Komposit Si/Grafena Tertanam yang Dibuat dengan Reduksi Magnesium-Termal sebagai Bahan Anoda untuk Baterai Lithium-Ion
  9. Karbon Aktif Berlapis Polianilin Komposit Aerogel/Sulfur untuk Baterai Lithium-Sulfur Berperforma Tinggi
  10. Anoda Film Fe2O3 Nanokristalin Disiapkan oleh Deposisi Laser Berdenyut untuk Baterai Lithium-Ion