กราฟีนออกไซด์ชั้นเดียว: ปลดล็อกรหัสใหม่สำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

1. บทนำ

กราฟีนออกไซด์ชั้นเดียว (สลก.) ซึ่งเป็นวัสดุนาโนคาร์บอนสองมิติ (2D) ที่ได้มาจากกราฟีน ได้รับความสนใจอย่างกว้างขวางในสาขา ลิบ โครงสร้างที่เป็นเอกลักษณ์และคุณสมบัติทางเคมีฟิสิกส์ที่ยอดเยี่ยม (เช่น การนำไฟฟ้าสูง พื้นที่ผิวจำเพาะขนาดใหญ่ และหมู่ฟังก์ชันที่มีออกซิเจนจำนวนมาก) ทำให้ สลก. เป็นตัวเลือกที่มีศักยภาพในการแก้ไขปัญหาคอขวดของวัสดุ ลิบ แบบดั้งเดิม บทความนี้ทบทวนคุณลักษณะเชิงโครงสร้างของ สลก. การประยุกต์ใช้ในอิเล็กโทรด ลิบ (แคโทดและแอโนด) สารเติมแต่งตัวนำไฟฟ้า และการปรับปรุงความปลอดภัย รวมถึงวิธีการเตรียม ความท้าทายทางเทคนิค และแนวโน้มการพัฒนาในอนาคต

2. คุณสมบัติเฉพาะของกราฟีนออกไซด์ชั้นเดียว

2.1 ลักษณะโครงสร้าง

สลก. ประกอบด้วยอะตอมคาร์บอนชั้นเดียวเรียงตัวกันเป็นโครงตาข่ายหกเหลี่ยม มีความยาวพันธะ ซีซี ประมาณ 0.142 นาโนเมตร อะตอมคาร์บอนส่วนใหญ่ใน สลก. ถูกไฮบริดแบบ สป² ก่อให้เกิดโครงสร้างแบบคอนจูเกตระนาบ ซึ่งส่งผลให้มีสภาพนำไฟฟ้าสูง สลก. มีหมู่ฟังก์ชันที่มีออกซิเจนอยู่มาก (เช่น ไฮดรอกซิล (-โอ้), อีพอกซี (-O-) และคาร์บอกซิล (-โคโอเอช)) บนระนาบฐานและขอบ หมู่ฟังก์ชันเหล่านี้ไม่เพียงแต่ช่วยเพิ่มคุณสมบัติการชอบน้ำและการกระจายตัวของ สลก. ในตัวทำละลายที่เป็นน้ำและตัวทำละลายอินทรีย์เท่านั้น แต่ยังเป็นตำแหน่งแอคทีฟสำหรับการดัดแปลงทางเคมีและการเตรียมสารประกอบเชิงประกอบอีกด้วย

การจัดเรียงอะตอมของ สลก. ส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพของมัน โครงตาข่ายหกเหลี่ยมที่ยังคงสภาพสมบูรณ์ช่วยให้การขนส่งอิเล็กตรอนมีประสิทธิภาพ ขณะที่หมู่ฟังก์ชันที่มีออกซิเจนช่วยเสริมปฏิสัมพันธ์กับวัสดุอื่นๆ (เช่น วัสดุอิเล็กโทรดแอคทีฟและอิเล็กโทรไลต์) อย่างไรก็ตาม หมู่ฟังก์ชันที่มีออกซิเจนมากเกินไปอาจทำลายโครงสร้างคอนจูเกต ส่งผลให้สภาพนำไฟฟ้าลดลง ดังนั้น การควบคุมปริมาณออกซิเจนและการกระจายตัวของออกซิเจนใน สลก. อย่างแม่นยำจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการนำไปใช้ใน ลิบ

2.2 สมบัติทางเคมีฟิสิกส์

การนำไฟฟ้าสูง: โครงสร้าง สป² ของ สลก. ที่จับคู่กับ สป² ช่วยให้สามารถเคลื่อนย้ายอิเล็กตรอนได้อย่างรวดเร็ว โดยมีค่าการนำไฟฟ้าสูงถึง 10⁴ S/m (หลังการรีดักชัน) ซึ่งสูงกว่าค่าการนำไฟฟ้าของวัสดุคาร์บอนแบบดั้งเดิมมาก (เช่น คาร์บอนแบล็ก: ~10² S/m)

พื้นที่ผิวจำเพาะขนาดใหญ่: โครงสร้าง 2 มิติแบบชั้นเดียวของ สลก. ทำให้มีพื้นที่ผิวจำเพาะตามทฤษฎีประมาณ 2,630 ตร.ม./ก. ซึ่งให้พื้นที่ที่อุดมสมบูรณ์สำหรับการดูดซับและการจัดเก็บ หลี่⁺

คุณสมบัติชอบน้ำที่ดี: กลุ่มฟังก์ชันที่มีออกซิเจนบน สลก. ช่วยให้กระจายตัวได้ง่ายในน้ำและตัวทำละลายอินทรีย์ที่มีขั้ว ช่วยให้เตรียมวัสดุคอมโพสิตและสารละลายอิเล็กโทรดได้ง่ายขึ้น

ปฏิกิริยาทางเคมี: กลุ่มฟังก์ชันที่มีออกซิเจน (โดยเฉพาะ -โคโอเอช และ -โอ้) สามารถทำปฏิกิริยากับไอออนของโลหะ โพลิเมอร์ และโมเลกุลฟังก์ชันอื่นๆ ได้ ทำให้สามารถออกแบบและสังเคราะห์วัสดุคอมโพสิตขั้นสูงที่มีคุณสมบัติตามต้องการได้

3. การสำรวจการประยุกต์ใช้วัสดุแคโทดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

3.1 ข้อจำกัดของวัสดุแคโทดแบบดั้งเดิม

วัสดุแคโทด ลิบ แบบดั้งเดิม เช่น ลิเธียมเหล็กฟอสเฟต (ลิเธียมไอออนฟอสเฟต₄) ลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์ (ลิโคโอ₂) และลิเธียมนิกเกิลแมงกานีสโคบอลต์ออกไซด์ (LiNiₓMnᵧCo₁₋ₓ₋ᵧO₂, เอ็นซีเอ็ม) เผชิญกับความท้าทายที่สำคัญซึ่งจำกัดประสิทธิภาพ:

ค่าการนำไฟฟ้าต่ำ: ตัวอย่างเช่น ลิเธียมไอออนฟอสเฟต₄ มีค่าการนำไฟฟ้าเพียง 10⁻⁹~10⁻¹⁰ S/ซม. ซึ่งจำกัดการขนส่งอิเล็กตรอนในระหว่างการชาร์จและการคายประจุอย่างรุนแรง ส่งผลให้มีความสามารถในอัตราที่ไม่ดี

จลนพลศาสตร์การแพร่กระจายของ หลี่⁺ ช้า: โครงสร้างผลึกที่หนาแน่นของแคโทดแบบดั้งเดิม (เช่น ลิโคโอ₂) ส่งผลให้ค่าสัมประสิทธิ์การแพร่กระจายของ หลี่⁺ ต่ำ (10⁻¹⁴~10⁻¹² ซม.²/s) ทำให้เกิดโพลาไรเซชันอย่างมีนัยสำคัญที่อัตราสูง

ปัญหาเสถียรภาพของวงจร: การเสื่อมสภาพของโครงสร้าง (เช่น การเปลี่ยนเฟสใน ลิเธียมไอออนฟอสเฟต₄) และการละลายของไอออนโลหะ (เช่น บริษัท³⁺ ใน ลิโคโอ₂) ในระหว่างวงจรนำไปสู่การซีดจางของความจุ

3.2 ความพยายามและความสำเร็จของแคโทดคอมโพสิต สลก.

เพื่อแก้ไขข้อจำกัดเหล่านี้ นักวิจัยได้พัฒนาวัสดุแคโทดคอมโพสิต สลก. ผ่านกลยุทธ์คอมโพสิตต่างๆ ซึ่งช่วยปรับปรุงการนำไฟฟ้า ประสิทธิภาพการแพร่กระจายของ หลี่⁺ และเสถียรภาพของวงจรแคโทดได้อย่างมีนัยสำคัญ

3.2.1 กลยุทธ์การกึ่งห่อหุ้ม

ในโครงสร้างแบบกึ่งห่อหุ้ม แผ่น สลก. จะถูกยึดติดบางส่วนกับพื้นผิวของอนุภาคแคโทด ก่อให้เกิดสะพานเชื่อมระหว่างอนุภาค โครงสร้างนี้ช่วยรักษาความสมบูรณ์ของโครงสร้างผลึกแคโทดในขณะที่สร้างโครงข่ายตัวนำ ตัวอย่างเช่น ในวัสดุผสม ลิเธียมไอออน (LiFePO4)/สลก. ที่เตรียมด้วยวิธีไฮโดรเทอร์มอล แผ่น สลก. จะถูกยึดอย่างเลือกสรรบนระนาบ (010) ของ ลิเธียมไอออน (LiFePO4) (ระนาบการแพร่ หลี่⁺ หลัก) ซึ่งไม่เพียงแต่ช่วยเพิ่มสภาพนำไฟฟ้าของวัสดุผสม (จาก 10⁻¹⁰ S/ซม. เป็น 10⁻³ S/ซม.) เท่านั้น แต่ยังไม่ปิดกั้นช่องทางการแพร่ หลี่⁺ อีกด้วย ที่อัตรา 10C วัสดุผสมจะให้ความจุจำเพาะที่ 120 มห.ม./g ซึ่งสูงกว่า ลิเธียมไอออน (LiFePO4) บริสุทธิ์ (40 มห.ม./g) ถึง 3 เท่า (จาง และ อัล., 2020)

3.2.2 กลยุทธ์การห่อหุ้มเต็มรูปแบบ

กลยุทธ์การห่อหุ้มแบบเต็มรูปแบบเกี่ยวข้องกับการห่อแผ่น สลก. รอบอนุภาคแคโทดแต่ละอนุภาค ก่อให้เกิดโครงสร้างแกน-เปลือก โครงสร้างนี้สามารถยับยั้งการสลายตัวของไอออนโลหะและการเสื่อมสภาพของโครงสร้างได้อย่างมีประสิทธิภาพ สำหรับคอมโพสิต ลิโคโอ₂/สลก. ที่เตรียมโดยวิธีการประกอบตัวเองด้วยไฟฟ้าสถิต เปลือก สลก. (ความหนาประมาณ 5 นาโนเมตร) ทำหน้าที่เป็นเกราะป้องกันทางกายภาพเพื่อป้องกันการละลายของ บริษัท³⁺ ในอิเล็กโทรไลต์ หลังจาก 500 รอบที่อุณหภูมิ 1 องศาเซลเซียส อัตราการเก็บรักษาความจุของคอมโพสิตอยู่ที่ 85% เมื่อเทียบกับ ลิโคโอ₂ บริสุทธิ์ที่เพียง 60% (หวัง และ อัล., 2021) นอกจากนี้ เปลือก สลก. ยังช่วยเพิ่มการนำไฟฟ้าของ ลิโคโอ₂ โดยคอมโพสิตมีความจุจำเพาะที่ 165 มห.ม./g ที่ 0.5 องศาเซลเซียส (สูงกว่า ลิโคโอ₂ บริสุทธิ์ 15%)

3.2.3 กลยุทธ์การผสมอัลตราโซนิก

การผสมด้วยคลื่นอัลตราโซนิกเป็นวิธีการที่ง่ายและปรับขนาดได้สำหรับการเตรียมแคโทดคอมโพสิต สลก. ด้วยการใช้คลื่นอัลตราโซนิกความเข้มสูง แผ่น สลก. สามารถกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอระหว่างอนุภาคแคโทด ก่อให้เกิดโครงข่ายตัวนำไฟฟ้า 3 มิติ วิธีนี้ช่วยหลีกเลี่ยงการเกาะกลุ่มกันของแผ่น สลก. และช่วยให้มั่นใจได้ว่า สลก. และอนุภาคแคโทดมีการสัมผัสกันอย่างดี การศึกษาคอมโพสิต หลี่นี่₀.8Mn₀.1Co₀.1O₂ (น.ม.811)/สลก. ที่เตรียมโดยการผสมด้วยคลื่นอัลตราโซนิกแสดงให้เห็นว่าคอมโพสิตมีค่าสัมประสิทธิ์การแพร่ของ หลี่⁺ เท่ากับ 5×10⁻¹¹ ซม.²/s (สูงกว่า น.ม.811 บริสุทธิ์ 2 เท่า) ที่อัตรา 5C คอมโพสิตให้ความจุจำเพาะ 150 มห.ม./g และหลังจาก 200 รอบ อัตราการคงความจุอยู่ที่ 92% (หลี่ และ อัล., 2022)

4. การวิจัยเชิงลึกเกี่ยวกับวัสดุขั้วบวกของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

4.1 ความท้าทายและความก้าวหน้าของ สลก. ในฐานะวัสดุแอโนดโดยตรง

สลก. มีศักยภาพสูงในการเป็นวัสดุแอโนดสำหรับ ลิบ เนื่องจากมีพื้นที่ผิวจำเพาะขนาดใหญ่และความจุในการจัดเก็บ หลี่⁺ สูงตามทฤษฎี (~744 มห.ม./g อ้างอิงจาก ลิซี₆) อย่างไรก็ตาม การใช้ สลก. เป็นแอโนดโดยตรงต้องเผชิญกับความท้าทายสำคัญสองประการ:

4.1.1 การซ้อนเลเยอร์

แรงแวนเดอร์วาลส์ระหว่างแผ่น สลก. ทำให้เกิดการเรียงตัวได้ง่าย ซึ่งลดพื้นที่ผิวจำเพาะและปิดกั้นช่องทางการแพร่ของลิเธียม⁺ ส่งผลให้ความสามารถในการกระจายตัวของลิเธียมต่ำ ตัวอย่างเช่น แอโนด สลก. บริสุทธิ์มีพื้นที่ผิวจำเพาะเพียง ~500 ตร.ม./กรัม (ต่ำกว่าค่าทางทฤษฎีมาก) และความจุที่อุณหภูมิ 5 องศาเซลเซียสน้อยกว่า 200 มิลลิแอมป์/กรัม

4.1.2 ประสิทธิภาพคูลอมบิกเริ่มต้นต่ำ

หมู่ฟังก์ชันที่มีออกซิเจนบน สลก. สามารถทำปฏิกิริยากับ หลี่⁺ ได้ในระหว่างรอบการชาร์จ-การคายประจุครั้งแรก ก่อให้เกิดชั้นเชื่อมต่อเฟสอิเล็กโทรไลต์ของแข็ง (เซอิ) ที่มีอิมพีแดนซ์สูง ส่งผลให้ประสิทธิภาพคูลอมบ์เริ่มต้นต่ำ (มักน้อยกว่า 60%) ซึ่งเป็นข้อจำกัดในการใช้งานจริงของแอโนด สลก.

เพื่อแก้ไขปัญหาเหล่านี้ นักวิจัยได้พัฒนาวิธีการปรับเปลี่ยนต่างๆ:

4.1.3 วิธีการขยายตัวทางความร้อน

การให้ความร้อนแก่ สลก. ที่อุณหภูมิ 800~1200 °C ในบรรยากาศเฉื่อย (เช่น อาร์) หมู่ฟังก์ชันที่มีออกซิเจนจะสลายตัวเป็นผลิตภัณฑ์ก๊าซ (ซีโอ, ซีโอ₂, H₂O) ก่อให้เกิดแรงดันภายในเพื่อขยายแผ่น สลก. ให้มีโครงสร้างที่มีรูพรุน โครงสร้างที่มีรูพรุนนี้ไม่เพียงแต่ป้องกันการเรียงตัวของชั้นเท่านั้น แต่ยังเพิ่มพื้นที่ผิวจำเพาะและมีพื้นที่กักเก็บ หลี่⁺ มากขึ้น การศึกษาโดย หลี่ และ อัล. (2021) แสดงให้เห็นว่า สลก. ที่ขยายตัวด้วยความร้อน (ทีอี-สลก.) มีพื้นที่ผิวจำเพาะ 1800 m²/g และประสิทธิภาพคูลอมบ์เริ่มต้นเพิ่มขึ้นเป็น 85% (เนื่องจากการลดลงของหมู่ฟังก์ชันที่มีออกซิเจน) ที่อัตรา 1C ทีอี-สลก. ให้ความจุจำเพาะแบบกลับคืนได้ที่ 650 มห.ม./g และหลังจาก 200 รอบ อัตราการคงความจุอยู่ที่ 92%