
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Outeurs: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 In Hyuk Son Jong Hwan Park Soonchul Kwon Seongyong Park Mark H. Rümmeli Alicja Bachmatiuk Hyun Jae Song Junhwan Ku Jang Wook Choi Jae-man Choi Seok-Gwang Doo Hyuk Chang Opsomming Silikon word merkbare aandag geniet as 'n aktiewe materiaal vir volgende generasie litium-ioonbattery anode vanweë sy ongeëwenaarde gravimetriese kapasiteit. Die groot volumeverandering van silikon oor laai–ontlaai siklusse verswak egter sy mededingendheid in volumetriese energiedigtheid en sikluslewe. Hier rapporteer ons direkte grafeen groei oor silikon nanopartikels sonder silikonkarbied vorming. Die grafeen lae wat op die silikon oppervlak geanker is, akkommodeer die volumevergroting van silikon via 'n gly proses tussen aangrensende grafeen lae. Wanneer dit gepaar word met 'n kommersiële litium kobaltoksied katode, laat die silikonkarbied-vrye grafeenbedekking die volsel toe om volumetriese energiedigthede van 972 en 700 Wh l−1 by die eerste en 200ste siklus te bereik, onderskeidelik 1,8 en 1,5 keer hoër as dié van huidige kommersiële litium-ioonbatterye. Hierdie waarneming dui daarop dat die twee-dimensionele gelaagde struktuur van grafeen en sy silikonkarbied-vrye integrasie met silikon kan dien as 'n prototipe in die bevordering van silikon anode tot kommersieel lewensvatbare tegnologie. Inleiding Die teoretiese gravimetriese kapasiteit van silikon (Si) bereik byna 4 000 mAh g−1. Hierdie ongeëwenaarde waarde het die batterygemeenskap gestimuleer om aansienlike navorsingspogings te belê omdat die hoë gravimetriese kapasiteit een in staat stel om die energiedigthede van litium-ioonbatterye (LIB's) aansienlik te verhoog, en sodoende toekomstige LIB-toepassings, soos elektriese voertuie, tot werklikheid te bring , , , , . In die afgelope dekade is diverse gevorderde elektrode strukture , , , , , , , , , ,  en bindermiddels , ,  ontwikkel om chroniese kapasiteitsverval probleme te oplos wat voortspruit uit die groot volumeverandering van Si, wat gelei het tot aansienlik verbeterde siklusprestasie selfs oor duisende siklusse . Ten spyte van die belowende gravimetriese waarde en aansienlike vordering in sikluslewe, het die meeste Si anode wat tot dusver gedemonstreer is, hoofsaaklik op die gravimetriese kapasiteit gefokus, maar het nie 'n soortgelyke belofte in hul volumetriese kapasiteit gebied nie omdat bestaande elektrodeontwerpe op vooraf gedefinieerde leë ruimte staatmaak om die volumevergroting van Si te akkommodeer. In baie LIB-toepassings, insluitend draagbare elektronika, is die volumetriese energiedigtheid egter 'n kritieke parameter in die bepaling van batteryprestasie. Tesame met 'n relatief swak sikluslewe, is swak volumetriese energiedigtheid tans 'n groot struikelblok in die implementering van Si anode in kommersiële selle. Om aan hierdie kritieke vraag te voldoen, moet Si anode tegnologie heroorweeg word met verskillende elektrodeontwerpe wat stabiele siklusprestasie bied terwyl die elektrode volume geminimaliseer word. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 11 Alhoewel 'n verskeidenheid Si morfologieë en hul komposiete met ander geleidende materiale tans beskikbaar is, is 'n maklike en skaalbare sintese van aktiewe Si komponente van kritieke belang vir onmiddellike oplossings vir werklike vervaardiging wat hoëstandaard kwaliteitsbeheer vereis. Vanuit 'n praktiese toepassingsperspektief, onder 'n groot aantal lewensvatbare kandidate, sal die gebruik van kommersiële Si nanopartikels (NPs) met 'n eenvoudige en doeltreffende geleidende oppervlakkige bedekking hoogs wenslik wees. Verskeie geleidende materiale, insluitend amorfe koolstof (AC), is ondersoek as bedekkingsmateriale vir Si NP anode , , . Die meeste van hulle slaag egter nie daarin om stabiele langtermyn-siklusprestasie te lewer nie omdat die geïmplementeerde bedekkingsmateriale nie die volumevergroting van Si kan akkommodeer nie en gevolglik breek oor herhaalde siklusse. 8 20 21 In 'n poging om die beperking van vorige geleidende bedekkings aan te spreek en ook om goeie siklusprestasie met 'n aansienlik hoër volumetriese energiedigtheid te bereik, gebruik ons in hierdie studie meerlaagse grafeen wat direk op die Si oppervlak gegroei is as bedekkingsmateriaal. Die twee-dimensionele (2D) gelaagde karakter van grafeen bied 'n unieke en doeltreffende werking van Si anode aangesien meerlaagse grafeen Si volumevergroting kan akkommodeer via 'n gly proses tussen aangrensende lae sonder die behoefte om leë spasie   in die as-gemaakte elektrode te verskaf. Boonop toon die grafeen-bedekte Si NP pellet 12,8 S cm−1 by 'n marginaal grafeen inhoud van 1 wt% deur 'n hoë perkolasienetwerk. Vir hierdie doel oorkom ons 'n uitdaging om grafeen direk op Si oppervlaktes te groei sonder silikonkarbied (SiC) vorming deur 'n chemiese dampneerslag (CVD) proses te ontwikkel wat 'n sagte oksidant behels. SiC vorming is noodlottig in Si anode operasies omdat SiC 'n elektriese isolator is met swak defek eienskappe. Boonop is SiC onaktief in die reaksie met Li ione en belemmer gevolglik Li ion diffusie in die Si fase. Met die hulp van die grafeen tussenlaag gly proses en verbeterde geleidbaarheid, bereik die grafeen-bedekte Si NP's 'n volumetriese kapasiteit van 2 500 mAh cm−3 (vs. 550 mAh cm−3 van kommersiële grafiet), die hoogste waarde onder dié wat tot dusver vir enige LIB-anode gerapporteer is, terwyl uitstekende siklus- en tempo-prestasie getoon word. a priori Resultate SiC-vrye grafeen groei op Si Die direkte groei van hoë-gehalte grafeen op Si via die CVD proses het uitdagend geblyk  omdat tipiese grafeen sintese toestande 'n reduksie atmosfeer vereis wat geneig is om die natuurlike Si oksied laag van die Si oppervlak te stroop, en dan 'n reaksie tussen Si en ontbinde koolstof voorlopers aan te dryf om SiC te vorm . Ons aanvanklike benadering om metaan (CH4) as 'n koolstof voorloper gemeng met H2 te gebruik, kon inderdaad geen grafeen groei op die Si NP's bewerkstellig nie ( ), wat slegs β-SiC oplewer ( ). Om hierdie beperking te oorkom, het ons koolstofdioksied (CO2), 'n sagte oksidant, in die CVD proses saam met CH4 (refs  ,  ) ingesluit. Die insluiting van CO2 laat een toe om die vorming van SiC te vermy en ook die groeitermperatuur te verlaag in vergelyking met bekende grafeen groei op oppervlak . In ons eksperiment, by 900 °C, was die grafeen groei onvolledig of inhomogeen ( ), terwyl grafeen groei by 1 100 °C oksiedlae op die Si oppervlak geproduseer het wat te dik is vir doeltreffende Li ion diffusie ( ). By 'n intermediêre temperatuur van 1 000 °C is 2–10 lae grafeen gevorm soos getoon in transmissie-elektronmikroskoop (TEM) beelde ( ) wat duidelik die gelaagde struktuur vertoon asook die tussenlaag afstand naby 3,4 Å ( , insetsel). Nader inspeksie dui daarop dat individuele lae direk aan die Si partikel oppervlak by hul ente geanker is (rooi pyle in  ) en parallel aan die Si oppervlak lê. Hierdie goed-gerigte grafeen lae kan hul gelaagde stapelstruktuur behou selfs tydens litiasie via 'n gly proses ( ), en sodoende 'n elegante middel bied om die volumevergroting van Si te akkommodeer. Grafeen groei is probeer op silikonoksied (SiO2) oppervlaktes deur CH4 en H2 te gebruik (refs  ,  ). Die grafeen groei in daardie prosesse was egter baie ondoeltreffend of het nie SiC vorming vermy nie. Die ondoeltreffende groei word toegeskryf aan onvoldoende katalitiese plekke op die SiO2 oppervlak. Daarteenoor, in ons proses, genereer die CO2 byvoeging meer katalitiese plekke in die vorm van SiO  met sommige defekte. 22 23 Supplementary Fig. 1 Supplementary Fig. 2 24 25 23 Supplementary Fig. 3 Supplementary Fig. 4 Fig. 1a,b Fig. 1b Fig. 1c Fig. 1d 26 27 x   ( ) 'n Lae-vergroting TEM beeld van Gr–Si NP. ( ) 'n Hoër-vergroting TEM beeld vir dieselfde Gr–Si NP van die wit boks in  . (Insetsel) Die lynprofiele van die twee rooi bokse dui aan dat die tussenlaag afstand tussen grafeen lae ~3,4 Å is, in goeie ooreenstemming met dié van tipiese grafeen lae gebaseer op van der Waals interaksie. ( ) 'n Hoë-vergroting TEM beeld wat die oorsprong (rooi pyle) visualiseer waaruit individuele grafeen lae groei. ( ) 'n Skematiese illustrasie wat die gly proses van die grafeen bedekkingslae toon wat die volumevergroting van Si kan buffereer. a b a c d Die SiC-vrye grafeen groei is geverifieer deur beide bulk-skaal en enkel-partikel skaal ontledings. X-straal foto-elektron spektroskopie profiele in die Si 2  band ( ) asook X-straal diffraksie (XRD) spektrums ( ) toon geen pieke wat ooreenstem met SiC vir grafeen-bedekte Si (Gr–Si), AC-bedekte Si (AC–Si) en ongerepte Si, in teenstelling met 'n kontrole (SiC–Si) monster wat deur 'n CO2-vrye roete met CH4 en H2 gesintetiseer is. Aan die ander kant het 'n skandeer-TEM beeld wat hoë-hoek annulus donker veld gebruik, getoon dat die Si NP 'n kern-skil struktuur het met 'n helderder kern en 'n dun relatief donker skil wat toegeskryf word aan 'n Si kern en 'n oksiedbedekking ( ). Elektron energie verlies spektroskopie (EELS) spektrums ( ) verkry vir veelvuldige kolle oor die NP het geen seine  wat SiC vorming weerspieël, getoon nie, wat SiC-vrye groei in die huidige groeiproses bevestig. Ook is SiO2 seine by 108 eV op kolle 1 en 2 sterker gedetekteer as die ander kolle in die middel, wat impliseer dat die SiO2 oppervlak as katalitiese plekke vir grafeen groei dien. Die aanhoudende teenwoordigheid van die SiO2 oppervlaklae is ook geverifieer deur XRD ( ) en EELS ( ) karakterisering. p Fig. 2a Supplementary Fig. 2 Fig. 2b Fig. 2c 28 Supplementary Fig. 2 Fig. 2b,c   ( ) X-straal foto-elektron spektroskopie spektrums in die Si 2  band vir Gr–Si, SiC–Si, AC–Si en ongerepte Si. ( ) 'n Skandeer-TEM beeld van 'n Gr–Si NP. ( ) EELS spektrums vir die kolle aangedui in  . a p b c b  TEM ontleding In situ Ons wend ons nou tot die gebruik van Gr–Si as 'n anode materiaal in LIB's. Die litiasie van die Gr–Si NP's (1 wt% grafeen) is in real-time gemonitor tydens hul volumevergroting deur middel van   TEM ontleding , , , . In die werklike eksperiment is sommige Gr–Si partikels op 'n goud (Au)-vaste elektrode geplaas. 'n Tweede, maar beweegbare, elektrode met Li/LiO2 aan sy punt is geposisioneer om net met die Gr–Si NP's in aanraking te kom om hulle te litieseer ( ). Sodra kontak met die tweede elektrode gemaak is, het die partikels begin swel ( ). Groter besonderhede oor hierdie proses kan gesien word in   en  . Twee tipes swel strukture is waargeneem, naamlik nie-defekte partikels en defekte partikels soos uitgelig in  . In gevalle waar die grafeen die partikel volledig inkapsuleer en geen ooglopende defekte het nie ( ), het die deursnee met ~30% toegeneem (220% volumevergroting). Aan die einde van litiasie het die tussenlaag afstand van die grafeen lae tot 3,8 Å toegeneem wat litiasie weerspieël , en die gelaagde karakter van die grafitiese bedekking is rondom die NP bewaar ( ), wat 'n gly proses tussen lae voorstel soos geïllustreer in  . In gevalle waar 'n defekte streek bestaan (sien groen sirkel in  ), na swelling, verpoeier die binneste partikel en breek deur die defek ( ). Die waargenome onderskeibare breukgedrag sal waarskynlik nie van partikelgrootte wees nie, aangesien 'n ingekapsuleerde partikel groter as die gebroke een in   nie gebreek het nie (sien die aangeduide partikels by 0 en 40 s in  ). Ook toon onlangse waarneming  dat selfs kleiner Si partikels (<50 nm) kan breek as dit nie ingekapsuleer is nie, as gevolg van 'n Li konsentrasiegradiënt binne die partikels wat aansienlike spanning kan skep. Trouens, die kritieke grootte van Si partikelbreuk is geval-afhanklik, en is verwant aan hoe doeltreffend die spanning wat tydens volumevergroting opgebou word, vrygestel kan word. Die kritieke grootte kan uitbrei tot >200 nm (ref.  ). in situ 29 30 31 32 Fig. 3a Fig. 3b Supplementary Fig. 5 Supplementary Movies 1–3 Fig. 3b,c Fig. 3d 33 Fig. 3d Fig. 3c Fig. 3a Fig. 3e Fig. 3 Supplementary Fig. 5 34 35   ( ) Gr–Si NP's geheg aan die oppervlak van Au draad en 'n tweede Li/LiO2 elektrode. ( ) Dieselfde Gr–Si NP's na litiasie. ( ) 'n Skematiese opsomming van gelitieseerde Gr–Si NP's vir beide nie-defekte en defekte grafeen inkapsulasie. ( , ) Noue TEM beelde vir ( ) nie-defekte partikel (die een omring met die rooi lyn in   en  ) en ( ) defekte partikel (die een omring met die blou lyn in   en  ). Die EELS spektrums in beide gevalle bevestig die litiasie. Die lynprofiele van die rooi bokse in beide gevalle toon verhoogde tussenlaag afstande van ca. 3,8 Å, wat litiasie in die grafeen tussenlaag ruimte weerspieël. a b c d e d a b e a b Lokale EELS ontleding tydens litiasie bevestig die litiasie van Si vir beide gevalle deur 'n dowwe Li  -rand naby 55 eV asook Si  -rand by 100 eV ( ; ref.  ). Die laag wat op die oppervlak van grafeen in   vertoon word, word toegeskryf aan Li/Li2O residu. In wese bewaar die grafeen lae die integrasie met Si deur hul chemies gebonde wortels op die Si oppervlak, en terselfdertyd laat die gly proses die paar lae grafeen bedekking toe om die volumevergroting van Si te akkommodeer. In 'n aparte   TEM eksperiment met die Gr–Si LIB elektrode, is waargeneem dat die gemiddelde aantal grafeen lae gemeet op verskillende plekke van 9,4 tot 5,6 lae afgeneem het ( ) na die eerste litiasie, wat die tussenlaag gly proses weer bevestig. K L Fig. 3d,e 36 Fig. 3d ex situ Supplementary Fig. 6 Die grafeen inkapsulasie en tussenlaag gly proses oefen 'n klemkrag uit wat help om Si partikel integriteit tydens volumevergroting te handhaaf. Hierdie klem meganisme blyk egter nie Li diffusie te beïnvloed nie, aangesien goeie spesifieke kapasiteite in die elektrochemiese metings verkry word. Dit is ook opmerklik dat die volumevergroting van partikels, oor die algemeen, uniform in alle radiale rigtings was, selfs al was die kontakpunt met die tweede elektrode hoogs gelokaliseer. Dit beklemtoon die neiging van die grafeen lae vir homogene Li ion diffusie in die Si kern (sien rooi en oranje kolletjieslyne in  ). Die   ontleding dui ook daarop dat Li diffusie deur die grafeen lae redelik vinnig is, in ooreenstemming met vorige studies , . Daar word ook opgemerk dat die waargenome klem effek hoofsaaklik van die grafeen bedekkingslae kom eerder as die natuurlike oksiedlae aan die oppervlak, omdat die oppervlak oksiedlae te dun is om 'n beduidende effek te hê. Die klem effek gebaseer op oppervlak oksiedlae is slegs waargeneem wanneer Si hol strukture het ,  of die oksiedlae baie dik is . Fig. 3a,b in situ 30 37 7 11 38 Geleidbaarheid en elektrochemiese metings Na grafeen groei word die geleidbaarheid van die aktiewe materiaal samestelling merkbaar verbeter. Wanneer dit in poeier gepelletiseer is, het ongerepte Si 'n lae geleidbaarheid van <10−7 S cm−1 getoon, terwyl selfs 1 wt% grafeen byvoeging die geleidbaarheid merkwaardig tot 12,8 S cm−1 verhoog het ( ). Hierdie verbetering word toegeskryf aan uitstekende perkolasie gedrag van die grafeen bedekkingslae op 'n manier dat die 2D grafeen en sy goed-gerigte gelaagde stapeling 'n goed-verbinding geleidende netwerk bevorder ( ), en is ook in lyn met vorige grafeen-polimeer komposiete . Die geleidbaarheid het verder toegeneem tot 38,3 S cm−1 vir 'n grafeen inhoud van 5 wt%. Fig. 4a Supplementary Fig. 7 39   ( ) Die pellet geleidbaarhede van Gr–Si, AC–Si en Super P–Si by verskillende koolstof inhoud. ( ) Die eerste litiasie–delitiasie profiele. Die elektrode diktes van 5 wt%-Gr–Si, 1 wt%-Gr–Si, 2 wt%-AC–Si en ongerepte Si (Super P 1 wt%) is onderskeidelik 4,5, 5,0, 8,3 en 12,3 μm. ( ) Die litiasie (gevulde sirkel) en delitiasie (oop sirkel) kapasiteit behoud van dieselfde vier monsters. Die potensiaal is geskandeer binne 'n spanningsvenster tussen 0,01 en 1,5 V teen 0,5C. ( ) Die top-beskoude SEM beelde: die 5 wt%-Gr–Si elektrode (links) voor en (middel) na 200 siklusse en (regs) die 2 wt%-AC–Si elektrode na 200 siklusse. ( ) 'n Hoë-vergroting TEM beeld van 5 wt%-Gr–Si na 200 siklusse verkry uit die wit boks in die lae-ver a b c d e

Part of HackerNoon's growing list of open-source research papers, promoting free access to academic material.

Hierdie oudio word in die oorspronklike taal van die storie vervaardig!

'n Grafeen-deurbraak Kan EV-batterye Langer Laat Hou en Meer Energie Berg

About Author

KOMMENTAAR

HANG TAGS

HIERDIE ARTIKEL IS AANGEBIED IN

Related Stories

The #bitcoin Writing Contest by Rootstock and HackerNoon: Final Round Results🎉

'Decentralization Means Freedom': Interview with Alfredo de Candia

Hurry! One Month Left to Win from $5000 in the Web3 Development Writing Contest

Uber Still Can't Turn a Profit

The #bitcoin Writing Contest by Rootstock and HackerNoon: Final Round Results🎉

'Decentralization Means Freedom': Interview with Alfredo de Candia

Hurry! One Month Left to Win from $5000 in the Web3 Development Writing Contest

Uber Still Can't Turn a Profit

Light-Mode

Classic

Newspaper

Minty

Dark-Mode

Neon Noir

Minty

HN StartUps