LİTYUM PİL PERFORMANSINI ARTIRMAK İÇİN NANODİA

Nano elmaslar, boyutlarının çıplak gözle görülemeyecek kadar küçük olduğunu gösteren nanopartiküller şeklinde bulunan elmaslardır ve daha ziyade onları görmek için bir mikroskop kullanılır.

Bu oluşumu başarılı bir şekilde gerçekleştirmek için birçok kritik adımı içeren özel bir süreç yürütülmektedir. Nano elmaslar, özelliklerini tam olarak tanımlayabilen ve bu nano elmasların sergileyebileceği geniş bir uygulama yelpazesi aracılığıyla bu özellikleri tam olarak sergileyebilen birçok özel özelliğe sahiptir.

Ürün yelpazesi geniş olduğundan ve gelişme alanı onlar için arttığından, özel uygulamaları lityum pillere dayanmaktadır.

Giriş

Bu makale, nano elmasların, uygulamalarının ve lityum pillerdeki teknolojik gelişmelerin kapsamlı bir incelemesini sağlayacaktır. İlk bulunduklarında, halk onlara fazla dikkat etmedi. Ancak zaman geçtikçe ve teknoloji ilerledikçe, bu küçük elmasların devrim sonrası dünyada çok çeşitli kullanımlar ve avantajlar için değerli olduğu kanıtlandı. Özelliklerine daha fazla girdikçe, görünüşte basit olan bu küçük parçacıkların çok karmaşık olduğunu ve kendi bakış açılarından tekil olan bazı bileşenler içerdiğini keşfedeceğiz. Bu bileşenleri analiz etmek ve daha sonra bunları tamamen yeni bir parçacık kümesinde birleştirmek uzun ve zorlu bir yolculuktu. Günümüzde lityum piller, modern teknolojinin hayati bir bileşenidir.

Tarih

İlk nano ölçekli elmas parçacıkları 1960’larda SSCB’de patlatılarak yaratıldı, ancak dünyanın geri kalanı 1980’lerin sonlarına kadar çoğunlukla onlardan habersizdi. Bunu takiben, 1990’ların sonlarından itibaren yapılan bir dizi önemli keşif, şimdi nanodiamond olarak bilinen küçük parçacıklara olan ilgiyi artırdı.

1) 4-5 nm çapında tek haneli nanodiamond kolloidal çözeltiler artık ilk kez ticari olarak temin edilebilir.

2) Floresan nanodiamondlar artık bilim adamları tarafından toksik olmadıkları için biyolojik görüntüleme için yarı iletken kuantum noktaları yerine kullanılmaktadır.

3) Üçüncü olarak, elmas tabanlı nano ölçekli manyetik sensörler oluşturulmuştur.

4) Dördüncüsü, kimyasal reaktiviteleri sayesinde nanodiamondların özelliklerini karakterize etmek için çeşitli ıslak gaz kimyası teknikleri kullanılabilir.

Yeni çevre dostu arıtma tekniklerinin geliştirilmesi, yüksek saflıkta nanodiamond tozlarının büyük miktarlarda düşük maliyetle ve kontrollü yüzey kimyası ile üretilmesini mümkün kılmıştır.

6) Son olarak, nanodiamondlar, diğer karbon nanopartiküllerinden daha az zararlı oldukları için biyomedikal görüntüleme, ilaç dağıtımı ve diğer tıbbi prosedürlerde kullanılmak üzere araştırılmaktadır.

Araştırma için Nanodiamondların Mevcudiyeti

Bugün, araştırma için baş döndürücü bir dizi nanodiamond mevcuttur. Patlama teknikleri, lazer ablasyonu, HPHT elmas kristalitlerinin yüksek enerjili bilyalı frezelenmesi, plazma ile güçlendirilmiş kimyasal buhar biriktirme (CVD), ultra kritik sıvılardan otoklav sentezi, karbürlerin klorlanması, grafitin iyon bombardımanı, karbon soğanlarının elektron bombardımanı, ultrasonik kavitasyon kullanılarak yapılmıştır. ve bunlardan ilk üçü teknikler şu anda endüstride kullanılmaktadır. Astronomik kanıtlar, belirli yıldız türlerinin protoplanet disklerinde nanodiamondların bulunduğunu, bu kozmik kaynakların kökeninin hala araştırıldığını göstermektedir. Araştırma ve endüstriyel kullanım için artık Dünya’da nanodiamondları toplu olarak oluşturabilmemiz gerekiyor. Burada, boyutları 2 ila 10 nm arasında değişen nanodiamondların üretimini, özelliklerini ve kullanımlarını ele alıyoruz.

Grafit: Karbonun Kararlı Formu

Oda sıcaklığında ve basıncında, elmasın yarı kararlı olduğu bilinmesine rağmen, grafit karbonun en kararlı şeklidir. İki faz arasındaki enerji bariyeri oldukça büyük olmasına rağmen (atom başına yaklaşık 0,4 eV), iki faz arasındaki enerji farkı nedeniyle hala yüksek sıcaklıklara, yüksek basınca ve/veya katalizörlere ihtiyaç vardır. Bununla birlikte, karbon faz diyagramı, nano ölçekte Gibbs serbest enerjisi, faz diyagramını (basınç ve sıcaklığın yanı sıra) etkileyen yüzey enerjisine bağlı olduğundan, küme boyutunu üçüncü bir parametre olarak da dikkate almalıdır.

Farklı Karbon Fazlarının Stabilitesi

Çok sayıda teorik ve hesaplamalı çalışma, çeşitli nano ölçekli karbon fazlarının stabilitesini incelemiştir. Tetrahedral hidrokarbonlar, atomistik modellere göre çapları 3-6 nm’den az olan poliaromatiklerden daha kararlıdır. Daha sonraki araştırmalar 41, şeklin yüzey rekonstrüksiyonu ve sp2 karbon üretimi üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğunu ve nanodiamondların stabilitesine katkıda bulunduğunu ortaya koydu.

Oktahedronların, kübo-oktahedronların ve küresel kümelerin yüzeyleri sp3’ten sp2 karbonlara geçişler gösterirken, kübik kristallerin çıplak (işlevsiz) yüzeyleri, dökme bir elmasınkine benzeyen bir yapı gösterir.

Tercihli Pul Pul Dökülme

Nanometre altı kümelerden başlayarak, yüzeyin tercihli pul pul dökülmesi, küçük kümeler (onlarca atom) için küme geçişlerini endofullerenlere ve daha büyük kümeler için elmas çekirdekli (“bucky diamond”) soğan benzeri bir kabuğa teşvik eder. küme (yüzlerce atom) (yüzlerce atom) 41; İnce (tek katmanlı veya iki katmanlı) grafit kabuklu büyük, düzensiz kümelerin (1-3, 3 nm) elmas yapı içinde sabit kalması ve %76’dan daha az yüzey grafitizasyonuna sahip olması beklenir.

Küme Yüzeyi

Fonksiyonel grup sonlandırmalarının veya sp2 karbonlarına dönüşümün sp3 kümesinin yüzeyini stabilize etmesi önerilir. Sonuç olarak, karbon nanopartiküllerinin parçacık boyutu, şekli ve stabilitesinin yanı sıra yüzey sonlandırması. Şimdiye kadar sadece hidrojen sonlandırmanın işlevi kapsamlı bir şekilde araştırılmıştır. Yağlar, çapı 1,5 nm33’ten az olan hidrojenle sonlandırılmış nanodiamondlar olan diamondoidler adı verilen kararlı bileşikleri içerir. Elmas boyutu 3 nm veya daha fazlasına ulaştığında, birinci prensip simülasyonları43, bucky elmaslarının hidrojene nanodiamondlara göre enerji avantajına sahip olduğunu gösterir.

Sonuçlar

Oksijen (grup 44) ve nitrojen (grup 45) içeren fonksiyonel gruplarla nanodiamondların modellenmesinden elde edilen ön bulgulara göre, farklı grupların sıcaklık ve partikül ortamına, nanodiamond boyutuna ve morfolojisine bağlı olarak farklı nanodiamond yönleri vardır.

Nanodiamondların Model Yapımı

Nanodiamond modelleri oluşturulurken yüzey fonksiyonel gruplarının varlığı ve çeşitliliği, sp2 karbonu ve parçacık şekli dikkate alınmalıdır. İyice temizlenmiş nanodiamond parçacıkları, neredeyse hiç elmas olmayan karbon içermeyen neredeyse kusursuz kristal yapılara sahiptir. Transmisyon elektron mikroskobu (18,19,46) kullanılarak yapılan gözlemlere göre, nanodiamond parçacıkları ya fonksiyonel gruplarla sonlandırılmış sarkan bağlara sahip amorf bir karbon çekirdeğe ya da kısmen bir grafit kabukla kaplanmış sp3 karbondan yapılmış bir elmas çekirdeğe sahiptir.

Nanodiamondların Diğer Özellikleri

Nanodiamond parçacıklarının çekirdeğinde kompleksler oluşturabilen azot safsızlıkları (ağırlıkça %2-3’e kadar), ikizlerin varlığı ve tane sınırları, bu model tarafından dikkate alınmayan nanodiamondların ek özellikleridir. mikrokristaller. İkincisi, daha önce sp3 düzensiz karbonlara atfedilen X-ışını kırınım zirvelerinin daha geniş olmasından sorumlu olabilir.

Nanodiamond Oluşum Mekanizması

Patlama sırasında nanodiamondların nasıl geliştiğine dair bir mekanizma Danilenko tarafından ortaya atıldı. Juguet noktasının basıncı ve sıcaklığı, dökme sıvı karbon oluşturmak için çok düşük olsa da, nano ölçekte sıvı karbon oluşturacak kadar yüksektir. Nanodiamond stabilite rejimi, nano karbonlar için biraz daha yüksek basınçlara kayarken, sıvı karbon rejimi daha düşük sıcaklıklara kayar. Sonuç olarak, sıvı karbonun, aşırı doymuş karbon buharı hacminde homojen nanodiamondlar oluşturmak üzere yoğunlaştığı ve kristalleştiği varsayılabilir.

Şok dalgaları kullanılarak grafitten nanodiamond oluşturma gibi diğer patlayıcı bazlı işlemler, kristalit boyutları 10 nm’den büyük ve yanıcı olmayan safsızlıklara (metaller ve oksitler, ağırlıkça %1-8) sahip nanodiamondlarla sonuçlanır. Muhtemelen temizlik gerektirir. Kullanılan ateşleyiciler (genellikle kurşun, gümüş veya bakır azitler) metal safsızlıkları içerir.

Nanodiamond Titreşim Spektroskopisi

Nanodiamondların faz bileşimini ve yüzey sonlandırmalarını anlamak, Raman ve Fourier dönüşümü kızılötesi (FTIR) spektroskopisi. FTIR, yüzeylere adsorbe edilen fonksiyonel grupları ve molekülleri tespit etmenin yanı sıra, işlevselleştirilmiş nanodiamondların 5,8,14,79 yüzey kimyasındaki değişiklikleri de tespit edebilir. Nanodiamondlarda azot kusurları, 1.100–2.500 cm-1 aralığında yüzey fonksiyonel gruplarının zirveleriyle örtüşen iki geniş bant olarak görünür.

Nanodiamondların Karakteristik Bir Özelliği

Nano elmaslar, oksidatif saflaştırma işlemi gerçekleştirildikten sonra, 3200 ila 3600 cm kapladığı için Oh’nin gerilmesini ve bükülmenin, bantların hem nano türlerden hem de yüzeylerinden kaynaklandığı 1630 ila 1640 cm’yi içeren birçok özellik ve özelliğe sahiptir. Bu durumda C=O, ketonun, aldehitin, birkaç karboksilik asit formunun, esterin ve nano elmasların bir parçası olabilecek diğer bazı malzeme formlarının bir parçası olabilir.

Nanodiamondların Geniş Absorpsiyon Özelliği

Ek olarak, birçok nanodiamond, genellikle “parmak izi bölgesi ” olarak adlandırılan, 1.000 ila 1.500 cm-1 arasında birden fazla örtüşen tepe noktasına sahip çok geniş bir absorpsiyon özelliğine sahiptir.”O-H kıvrımları, C-O-C kıvrımları, epoksi C-O kıvrımları, C-C kıvrımları, amid C-N kıvrımları ve C-N-H kıvrımları, nitrojen eksikliklerinin neden olduğu sivri uçlara birkaç örnektir. NO2, SO2OH ve diğer gruplar titreşir.

Nanodiamondların Özellikleri

Dökme elmasların üstün niteliklerinin çoğu, onları nano ölçekte sağlayan nanodiamondlar tarafından taşınır. Elmas birçok yönden üstün bir malzemedir. Mükemmel sertlik ve modül, biyouyumluluk, optik nitelikler, termal ve elektriksel aktivitelere karşı direnç, kimyasal reaksiyonlar sırasında stabilite ve nano elmasların karşılaşabileceği çevresel değişikliklere neden olabilecek ve bu özelliklerden birkaçını değiştirebilecek direnç.

Floresans

Nanodiamondların faydalı floresan özellikleri, boş pozisyonlara yakın azot atomları olan azot boşluğu (NV) merkezlerinin varlığıyla sağlanır.

Nanodiamondları enerjik parçacıklarla (elektronlar, protonlar ve helyum iyonları şeklinde) patlatarak, 600-800 °C’de vakumlu tavlama gerçekleşir ve NV merkezleri üretebilir. Elmas, ışınlamanın bir sonucu olarak boş pozisyonlar geliştirir ve tavlama işlemi sırasında bu boş pozisyonlar hareket etme hakkına sahiptir ve daha sonra genellikle elmasın kendisinde bulunan azot atomları tarafından yakalanır.

İki tür NV Merkezi

Nötr (NV0) ve negatif yüklü (NV-) NV merkezleri üretilir ve emisyon spektrumları birbirinden farklıdır. NV merkezi, optik pompalama ile spin polarize olabilen ve elektron paramanyetik rezonansı ile kontrol edilebilen bir S = 1 spin temel durumuna sahip olduğundan, özellikle ilginçtir. Spin tutarlılık süresi de çok uzundur. Nanodiamond NV merkezleri ayrıca yüksek çözünürlüklü manyetik algılama, floresan rezonans enerji transferi ve biyomedikal görüntüleme uygulamaları için araştırılmaktadır. İzotopik olarak temiz elmaslardaki flüoresan NV merkezleri, kuantum hesaplama için özel ilgi alanıdır90.

Nanodiamondların Vücudundaki Biyouyumluluk ve Kader

Camsı karbon ve elmasın toksik olmayan maddeler olduğu bilinmesine rağmen, karbon nanopartikülleri için aynısını çıkaramayız. Nanodiamondların toksisitesi meşru bir endişe kaynağıdır çünkü farklı üreticiler çeşitli arındırma teknikleri kullanır ve yüzey modifikasyonu için çeşitli seçenekler vardır. Hücre sağkalımı, gen programı aktiviteleri ve in vivo mekanik ve fizyolojik davranış dahil olmak üzere çeşitli özelliklere bakmak için hem in vitro hem de in vivo çalışmalar yapılmıştır.

Trakeada Nanodiamondlar

Zaman geçtikçe alveolar bölgede nanodiamondların varlığı kesinlikle azalmakta ve mevcut makrofajlar nanodiamondlarla yüklenmek zorundadır. Bu, maruz kalma meydana geldikten sonraki 28 gün boyunca bronşide görsel olarak daha aktif olmalarını sağlar. Son rapor, trakeada bulunan nanodiamondların minimal pulmoner toksisite içerdiğini ortaya koydu.

İntravenöz olarak verilen yüksek dozda nanodiamond kompleksleri, hepatik ve sistemik toksisitenin serum belirteçlerini etkilemedi.

Lityum Pil Performansını İyileştirmek için Nanodiamondların Mevcut ve Gelecekteki Uygulamaları

Elektrolitik ve elektriksiz kaplamada nanodiamond ilaveleri çok uzun süredir kullanılmaktadır. Son zamanlarda kütle spektrometresi, elmas filmlerin 105 kimyasal buhar biriktirme, 106 kromatografi, 52.107 proteomik ve manyetik rezonans görüntüleme gibi uygulamalarda da kullanılmaktadır. Karbon “soğanların”, enerji depolamada, kompozitlerde ve kataliz reaksiyonlarında kullanılma eğiliminde olan nanodiamondların grafitizasyon işlemi yoluyla yapıldığı gösterilmiştir (nanodiamondlar ayrıca katalitik aktivite gösterme eğilimindedir). Elektrokimyasal çift katmanlı kapasitörler, piller ve elektriksel analiz, bor katkılı nanodiamondların olası kullanımlarıdır.

Katkısız Yalıtkan Nanodiamondlar

Ek olarak, elektrokimyasal ortamlarda, katkısız yalıtkan nanodiamondlar redoks aktivitesi gösterir. Beş triboloji ve yağlama alanındaki uygulamalar bu bölümün ana konularıdır. İlaç dağıtımı, doku iskeleleri, protein taklitleri, nanokompozitler ve cerrahi implantlar birkaç örnektir. Nanodiamondların kendi kendine toplanma yetenekleri ve bir dizi küçük molekülü, proteini, antikoru, ilacı ve nükleik asidi yüzeylerine bağlama yetenekleri nedeniyle, bu uygulamaların son üçü düşünülebilir hale getirilmiştir.

Elektrolit Katkı Maddeleri Olarak Nanodiamondlar

Lityum iyonları (LIB) kullanan piller. Li + / Li, -3.04 V redoks potansiyeline sahiptir (buna karşılık. tam bir hücre ile yüksek çalışma voltajı sağlanır. Tam hücreler oluşturmak için lityum metal anotlar ve yüksek kapasiteli katot malzemeleri birleştirildiğinde, bu özellikler büyük enerji yoğunluğu sunar. Lityum-kükürt (Li-S) ve lityum-oksijen (Li-O2) piller dahil olmak üzere şarj edilebilir lityum-metal piller (LMB’LER) bu nedenle yüksek enerji yoğunluklu depolama için çekici yarışmacılar olarak görülüyor.

Bununla birlikte, lityum dendritleri LMB, kullanışlılığını kısıtlayan ve hücre kısalmasına, termal kaçışa ve patlamaya veya yangına neden olabilecek arızalara neden olabilen zararlı Li dendritlerine neden olabilir. Li dendritleri, Li metal ve organik elektrolitlerin temas ettiği yüzey alanını genişletir ve yan reaksiyonları teşvik eder. Daha düşük coulombic verimliliği, reaksiyon ürünlerinin Li metalinin iletken matristen elektronik olarak ayrılmasından kaynaklanır.

Lityum Dendrit Büyümesinin Baskılanması

Lityum dendrit büyümesinin nasıl durdurulacağı konusunda çok fazla araştırma yapılmış olsa da, lityum metalinin nasıl büyüdüğünü ve çekirdek oluşturduğunu anlamak için o kadar çok şey yapılmamıştır. Cui ve iş arkadaşları kısa süre önce Li’nin çeşitli mevcut koleksiyoncular üzerindeki çekirdeklenme potansiyelini araştırdılar. Bulguları, başardıkları seçilmiş substratlar üzerinde Li metalinin seçici olarak birikmesi nedeniyle substrata bağlı çekirdeklenme davranışını gösterdi.

Nanodiamond elektrolitler daha güçlü polarizasyona, daha kısa LMB ömrüne ve daha yüksek coulombic verimliliğine sahiptir.

Düşük Maliyetli Nanodiamondlar

Bu çalışmada kullanılan nanodiamond parçacıkları düşük maliyetli, ticari bir patlama tekniği kullanılarak yapıldı, daha sonra ODA37, 38’e kovalent olarak bağlanarak modifiye edildi ve karboksile edildi. Yüksek kristalliğe ve 5 nm büyüklüğünde kristallere sahiptirler. Elmas (111) düzlemlere (0.206 nm, PDF#65-0537) karşılık gelen düzlemler arası kristalografik aralık, kafes kenarı transmisyon elektron mikroskobu (TEM) görüntülerinde 0.21 nm olarak ölçülür. Dağılmış modifiye nanodiamond parçacıkları ve 0.82 mg mL-1 doygunluk konsantrasyonuna sahip bir EC/DEC elektroliti olarak oluşturuldu. Çözelti, renksiz, berrak EC / DEC elektrolitinden nanodiamond parçacıklarının eklenmesiyle rengi soluk sarı bir renk tonuna değiştirdi. Saf ticari nanodiamondlara kıyasla, bu kümenin boyutu önemli ölçüde daha küçüktü39. Elektrolit içindeki çözeltideki nanodiamond kümelerinin boyut ve renk dağılımı.

Nanodiamond Yüzey

Bu malzemeler arasında nanodiamond, Li difüzyonu için en düşük enerji bariyerine sahiptir. Bu, Li iyonlarının katot (Cu folyo)-elektrolit arayüzündeki nanodiamond yüzeyinde adsorbe olma eğiliminde olduğunu, agregasyonu azalttığını ve kolayca dağılıp eşit şekilde dağıldığını ve dendritlerden yoksun bir morfoloji ürettiğini gösterir.

Elektrokimyasal Döngünün Davranışı

Simetrik Li’nin test edilmesi, Li elektrodunun uzun vadeli elektrokimyasal döngü stabilitesini kanıtlamıştır. Li hücresine bak. Simetrik Li / Li elektrotları, nanodiamond elektrolitte sırasıyla 200 saat ve 150 saat boyunca stabil döngü gösterdi ve polarizasyon gösterdi (1 mA cm’de 100 mV ila 2 mA cm-2’de 120 mV).

Nanodiamond Konsantrasyonu

Hücreler, nanodiamond konsantrasyonu 0.82’den 0.41 mg mL-1’e düşürüldüğünde voltaj uygulamasından sonra bile iyi stabilite sergilediler.

0.41 Mg mL1 nanodiamond içeren elektrolit, onlarsız elektrolitten önemli ölçüde daha iyi performans gösterdi. 0.82 mg ML1 elektrolitin döngüsel stabilitesi karşılaştırılabilirdi, ancak voltaj polarizasyonu daha uzun döngülerde daha yavaş arttı. Kararlı uzun vadeli döngü performansı elde etmek için Li metalini stabilize etmede nanodiamondların önemi, bu verilerle fazlasıyla gösterilmiştir.

Nanodiamond Modifikasyonu

1.5 g nanodiamond, nanodiamond parçacıklarından modifiye edildi ve metalik safsızlıkları gidermek için bir HCl, HNO3 ve damıtılmış su çözeltisi içinde 24 saat kaynatılmadan önce 425 °C’de hava oksidasyonu ile temizlendi. Bu reaksiyon için bilinen bir katalizör olan susuz N, N-dimetilformamid, elde edilen materyalin 1.5 gramına ilave edildi ve 50 ml SOCl2 ve 1 mL SOCl2 ile 70 °C’de 24 saat boyunca yeniden akıtıldı. Süpernatanı çıkarmak için damıtıldıktan sonra, elde edilen katı, oda sıcaklığında vakumla kurutulmadan önce üç kez susuz tetrahidrofuran ile yıkandı. Daha sonra 5 g ODA, kapalı bir şişede 90 ila 100 °C’de 96 saat boyunca klorlu nanodiamond tozu ile karıştırıldı.

Nanodiamondların organik çözücüler içinde dağılması kolaydır. Nanodiamondları içeren bir elektrolitin oluşturulması, elde edilen ODA işlevselleştirilmiş nanodiamond parçacıklarının 50 mg’ının 10 ml’lik bir Ar1 dolu torpido gözünde dağıtılmasını içeriyordu.

Sonuç

Yukarıda belirtilen gerçekler ışığında nanodiamondlar, kendilerini birden fazla parçacık halinde birleştirme ve kendilerine birçok yönden bize fayda sağlayabilecek yeni formlar verme eğiliminde olan elementlerdir. pillerde kullanılmaktan flüoresan ampullere kadar gelecek dönem için büyük önem taşıyacak uygulamalara sahip olabilir teknolojinin. Bu nedenle, nanodiamondların günlük yaşamımızı modernize etmede büyük bir rol sergileyeceği çok güvenli bir şekilde ifade edilebilir.