
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 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 ontvang beduidende aandag as 'n aktiewe materiaal vir anodes van volgende generasie litium-ioonbatterye vanweë sy ongeëwenaarde gravimetriese kapasiteit. Die groot volumeverandering van silikon tydens laai-ontlaai-siklusse verswak egter sy mededingendheid in volumetriese energiedigtheid en sikluslewe. Hier rapporteer ons direkte grafeengroei oor silikonnanodeeltjies sonder silikonkarbiedvorming. Die grafeenlae wat op die silikon se oppervlak vasgeanker is, akkommodeer die volume-uitsetting van silikon via 'n glyproses tussen aangrensende grafeenlae. Wanneer dit gepaar word met 'n kommersiële litiumkobbaltoksied-katode, laat die silikonkarbiedvrye grafeenbedekking toe dat die volsel volumetriese energiedigthede van onderskeidelik 972 en 700 Wh l−1 teen die eerste en 200ste siklus bereik, 1,8 en 1,5 keer hoër as dié van huidige kommersiële litium-ioonbatterye. Hierdie waarneming dui daarop dat die tweedimensionele gelaagde struktuur van grafeen en sy silikonkarbiedvrye integrasie met silikon kan dien as 'n prototipe in die bevordering van silikonanodes 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 aan te wend omdat die hoë gravimetriese kapasiteit een in staat stel om die energiedigthede van litium-ioonbatterye (LIBs) aansienlik te verhoog, en sodoende toekomstige LIB-toepassings, soos elektriese voertuie, tot werklikheid te bring , , , , . In die afgelope dekade is diverse gevorderde elektrodestrukture , , , , , , , , , ,  en binderontwerpe , ,  ontwikkel om chroniese kapasiteitsverlieskwessies wat voortspruit uit die groot volumeverandering van Si op te los, wat lei tot aansienlik verbeterde siklusprestasie selfs oor duisende siklusse . Ondanks diebelowende gravimetriese waarde en aansienlike vordering in sikluslewe, het die meeste Si-anodes wat tot dusver gedemonstreer is, hoofsaaklik gefokus op die gravimetriese kapasiteit, maar het nie soortgelykebeloweninge in hul volumetriese kapasiteit gebied nie omdat bestaande elektrodeutontwerpe afhanklik is van vooraf gedefinieerde leë spasie om die volume-uitsetting 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 knelpunt in die implementering van Si-anodes in kommersiële selle. Om aan hierdie kritieke vraag te voldoen, moet Si-anodetegnologie heroorweeg word met verskillende elektrodeutontwerpe wat stabiele siklusprestasie bied terwyl die elektrodedeeel geminimaliseer word. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 11 Hoewel 'n verskeidenheid Si-morfologieë en hul komposiete met ander geleidende materiale tans beskikbaar is, is 'n maklike en skaalbare sintese van aktiewe Si-komponente krities vir 'n onmiddellike oplossing vir werklike vervaardiging wat hoë-standaardgehaltebeheer vereis. Vanuit 'n praktiese toepasstandpunt, onder 'n groot aantal lewensvatbare kandidate, sal die gebruik van kommersiële Si-nanodeeltjies (NPs) met 'n eenvoudige en doeltreffende geleidende oppervlakkode van onskatbare waarde wees. Verskeie geleidende materiale, insluitend amorfe koolstof (AC), is ondersoek as kodemateriale vir Si NP-anodes , , . Die meeste van hulle slaag egter nie daarin om stabiele langtermyn-siklusprestasie te lewer nie omdat die geïmplementeerde kodemateriale nie in staat is om die volume-uitsetting van Si te akkommodeer nie en gevolglik breek tydens herhaalde siklusse. 8 20 21 In 'n poging om die beperking van vorige geleidende kodes 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 'n kodemateriaal. Die tweedimensionele (2D) gelaagde karakter van grafeen bied 'n unieke en doeltreffende werking van Si-anodes aangesien meerlaagse grafeen Si-volume-uitsetting via 'n glyproses tussen aangrensende lae kan akkommodeer sonder die behoefte om vooraf leë ruimte in die as-gemaakte elektrode te voorsien. Ook die grafeen-bedekte Si NP-tablet toon 12,8 S cm−1 teen 'n marginale grafeeninhoud van 1 wt% deur 'n hoë perkulasienetwerk. Om dit te bereik, oorkom ons 'n uitdaging om grafeen direk op Si-oppervlakke te laat groei sonder silikonkarbied (SiC) vorming deur 'n chemiese dampneerslag (CVD) proses te ontwikkel wat 'n milde oksideermiddel behels. SiC vorming is noodlottig in Si-anodewerking omdat SiC 'n elektriese isolator is met swak defekeienskappe. Boonop reageer SiC nie met Li-ione nie en belemmer gevolglik Li-ioon diffussie in die Si-fase. Met die hulp van die grafeen-tussenlaag glyproses en verbeterde geleidingsvermoë, bereik die grafeen-bedekte Si NPs 'n volumetriese kapasiteit van 2 500 mAh cm−3 ( teenoor 550 mAh cm−3 van kommersiële grafiet), die hoogste waarde tot dusver aangemeld vir enige LIB-anodes, terwyl dit uitstekende siklus- en tempo-prestasie toon. Resultate SiC-vrye grafeengroei op Si Die direkte groei van hoëgehalte-grafeen op Si via CVD-proses het uitdagend geblyk te wees  omdat tipiese grafeensintese-toestande 'n reduktiewe atmosfeer vereis wat geneig is om die inheemse Si-oksiedlaag van die Si-oppervlak te stroop, en dan 'n reaksie tussen Si en ontbinde koolstofvoorlopers aandryf om SiC te vorm . Ons aanvanklike benadering om metaan (CH4) as 'n koolstofvoorloper gemeng met H2 te gebruik, kon inderdaad geen grafeengroei op die Si NPs bewerkstellig nie ( ), wat slegs β-SiC oplewer ( ). Om hierdie beperking te oorkom, het ons koolstofdioksied (CO2), 'n milde oksideermiddel, in die CVD-proses ingesluit, saam met CH4 (refs  ,  ). Die insluiting van CO2 laat toe om die vorming van SiC te vermy en ook die groeitemperatuur te verlaag in vergelyking met bekende grafeengroei op die oppervlak . In ons eksperiment, by 900 °C, was die grafeengroei onvolledig of inhomogeen ( ), terwyl grafeengroei by 1 100 °C oksiedlae op die Si-oppervlak gevorm het wat te dik was vir doeltreffende Li-ioon diffussie ( ). 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 sowel as die tussenlaagafstand van naby 3,4 Å toon ( , inset). Nadere ondersoek dui aan dat individuele lae direk aan die Si-deeltjie-oppervlak aan hul punte (rooi pyltjies in  ) vasgeanker is en parallel aan die Si-oppervlak lê. Hierdie goed-uitgeligte grafeenlae kan hul gelaagde stapelingstruktuur behou selfs tydens lithiasie via 'n glyproses ( ), en bied sodoende 'n elegante middel om die volume-uitsetting van Si te akkommodeer. Grafeengroei is op silikonoksied (SiO2) oppervlakke probeer met CH4 en H2 (refs  ,  ). Die grafeengroei 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. Daarenteen genereer ons proses, met 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 uit die wit boks in  . (Insette) Die lynprofiele van die twee rooi bokse dui aan dat die tussenlaagafstand tussen grafeenlae ~3,4 Å is, wat goed ooreenstem met dié van tipiese grafeenlae gebaseer op van der Waals-interaksie. ( ) 'n Hoë-vergroting TEM-beeld wat die oorspronge (rooi pyltjies) visualiseer waaruit individuele grafeenlae groei. ( ) 'n Skematiese illustrasie wat die glyproses van die grafeenkodelaagies toon wat die volume-uitsetting van Si kan buffer. a b a c d Die SiC-vrye grafeengroei is geverifieer deur beide grootskaalse en enkeldeeltjie-ontledings. X-straal foto-elektronspektroskopie profiele in die Si 2  band ( ) sowel as X-straal diffraksie (XRD) spektrum ( ) toon geen pieke wat ooreenstem met SiC vir grafeen-bedekte Si (Gr–Si), AC-bedekte Si (AC–Si) en suiwer Si nie, 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 met hoë-hoek annulerende donkerveld getoon dat die Si NP 'n kern-skede-struktuur het met 'n helderder kern en dun relatief donkerder skede wat toegeskryf word aan 'n Si-kern en 'n oksiedodeksel ( ). Elektron-energievloei-spektroskopie (EELS) spektrum ( ) verkry vir veelvuldige kolle oor die NP het geen seine getoon nie  wat SiC vorming weerspieël, wat SiC-vrye groei in die huidige groeipro ses bevestig. Ook is SiO2-seine by 108 eV op kolle 1 en 2 sterker as die ander kolle in die middel opgemerk, wat impliseer dat die SiO2-oppervlak as katalitiese plekke vir grafeengroei 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-elektronspektroskopie spektrum in Si 2  band vir Gr–Si, SiC–Si, AC–Si en suiwer Si. ( ) 'n Skandeer-TEM-beeld van 'n Gr–Si NP. ( ) EELS spektrum vir die kolle aangetoon in  . a p b c b  TEM-ontleding In situ Ons wend ons nou tot die gebruik van Gr–Si as 'n anodemateriaal in LIBs. Die lithiasie van die Gr–Si NPs (1 wt% grafeen) is in reële tyd gemonitor tydens hul volume-uitsetting deur gebruik te maak van   TEM-ontleding , , , . In die werklike eksperiment is sommige Gr–Si-deeltjies 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 NPs in aanraking te kom om dit te lithiasieer ( ). Sodra kontak met die tweede elektrode gemaak is, het die deeltjies begin swel ( ). Groter besonderhede oor hierdie proses kan gesien word in   en  . Twee tipes uitsettingsstrukture is waargeneem, naamlik nie-defektiewe deeltjies en defektiewe deeltjies soos uitgelig in  . In gevalle waar die grafeen die deeltjie volledig omsluit en geen ooglopende defekte het nie ( ), het die deursnee met ~30% toegeneem (220% volume-uitsetting). Aan die einde van lithiasie het die tussenlaagafstand van die grafeenlae tot 3,8 Å toegeneem, wat litiuminterkalasie weerspieël , en die gelaagde karakter van die grafietkode is reg rondom die NP bewaar ( ), wat 'n glyproses tussen lae voorstel soos geïllustreer in  . In gevalle waar 'n defektiewe streek bestaan (sien groen sirkel in  ), word die binneste deeltjie tydens swelling verpulveriseer en breek deur die defek ( ). Die waargenome onderskeibare breukgedrag is onwaarskynlik om van deeltjegrootte te wees, aangesien 'n ingeslote deeltjie groter as die gebreekte een in   nie gebreek het nie (sien die aangeduide deeltjies op 0 en 40 s in  ). Ook onlangse waarneming  dui aan dat selfs kleiner Si-deeltjies (<50 nm) kan breek as hulle nie ingesluit is nie, as gevolg van 'n Li-konsentrasiegradiënt binne die deeltjies wat aansienlike spanning kan skep. Trouens, die kritieke grootte van Si-deeltjiebreuk is geval-afhanklik, en is verwant aan hoe doeltreffend die spanning wat tydens volume-uitsetting 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 NPs wat aan die oppervlak van Au-draad en 'n tweede Li/LiO2-elektrode geheg is. ( ) Dieselfde Gr–Si NPs na lithiasie. ( ) 'n Skematiese opsomming van gilitiasieerde Gr–Si NPs vir beide nie-defektiewe en defektiewe grafeen-inkapsulering. ( , ) Noue TEM-beelde vir ( ) nie-defektiewe deeltjie (die een wat met die rooi lyn in   en   omring is) en ( ) defektiewe deeltjie (die een wat met die blou lyn in   en   omring is). Die EELS spektrum in beide gevalle bevestig die lithiasie. Die lynprofiele van die rooi bokse in beide gevalle toon verhoogde tussenlaagafstande van ca. 3,8 Å, wat weerspieëlend is van litiasie in die grafeen-tussenlaagruimte. a b c d e d a b e a b Lokale EELS-ontleding tydens lithiasie verifieer die lithiasie van Si vir beide gevalle deur 'n vae Li  -rand naby 55 eV sowel as Si  -rand by 100 eV ( ; ref.  ). Die laag wat op die oppervlak van grafeen in   gewys word, word toegeskryf aan Li/Li2O-residue. In wese bewaar die grafeenlae die integrasie met Si via hul chemies gebonde wortels op die Si-oppervlak, en terselfdertyd laat die glyproses toe dat die paarlaag-grafeenkode die volume-uitsetting van Si akkommodeer. In 'n aparte   TEM-eksperiment met die Gr–Si LIB-elektrode, is waargeneem dat die gemiddelde aantal grafeenlae gemeet op verskillende plekke van 9,4 tot 5,6 lae afgeneem het ( ) na die eerste lithiasie, wat die tussenlaag glyproses weer bevestig. K L Fig. 3d,e 36 Fig. 3d ex situ Supplementary Fig. 6 Die grafeeninkapsulering en tussenlaag glyproses oefen 'n klemkrag uit wat help om die integriteit van Si-deeltjies tydens volume-uitsetting te handhaaf. Hierdie klem meganisme blyk egter nie Li-diffusie te beïnvloed nie, aangesien goeie spesifieke kapasiteite behaal word in die elektrochemiese metings. Dit is ook opmerklik dat die volume-uitsetting van deeltjies oor die algemeen eenvormig was in alle radiale rigtings, hoewel die kontakpunt met die tweede elektrode hoogs gelokaliseer is. Dit beklemtoon die neiging van die grafeenlae tot homogene Li-ioon diffussie in die Si-kern (sien rooi en oranje kollynne in  ). Die   ontleding dui ook aan dat Li-diffusie deur die grafeenlae redelik vinnig is, in ooreenstemming met vorige studies , . Dit word ook opgemerk dat die waargenome klem effek hoofsaaklik van die grafeenkodelae afkomstig is eerder as inheemse oksiedlae omdat die oppervlakkige 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 Geleidingsvermoë en elektrochemiese metings Na grafeengroei word die geleidingsvermoë van die aktiewe materiaalsamestelling aansienlik verbeter. Wanneer dit in poeier verpak word, toon suiwer Si 'n lae geleidingsvermoë van <10−7 S cm−1, terwyl selfs 1 wt% van grafeenbyvoeging die geleidingsvermoë merkwaardig tot 12,8 S cm−1 verhoog het ( ). Hierdie verbetering word toegeskryf aan uitstekende perkulasiegedrag van die grafeenkodelae op so 'n manier dat die 2D grafeen en sy goed-uitgeligte gelaagde stapeling 'n goed-verbonde geleidende netwerk bevorder ( ), en is ook in lyn met vorige grafeen–polimeer komposiete . Die geleidingsvermoë het verder toegeneem tot 38,3 S cm−1 vir 'n grafeeninhoud van 5 wt%. Fig. 4a Supplementary Fig. 7 39   ( ) Die tabletgeleidingsvermoë van Gr–Si, AC–Si en Super P–Si by verskillende koolstofinhoude. ( ) Die eerste lithiasie-delithiasie profiele. Die elektrodedikte van 5 wt%-Gr–Si, 1 wt%-Gr–Si, 2 wt%-AC–Si en suiwer Si (Super P 1 wt%) is onderskeidelik 4,5, 5,0, 8,3 en 12,3 μm. ( ) Die lithiasie (gevulde sirkel) en delithiasie (oop sirkel) kapasiteitretensie van dieselfde vier monsters. Die potensiaal is gevee binne 'n spanningsvenster tussen 0,01 en 1,5 V teen 0,5C. ( ) Die boonste SEM-beelde: die 5 wt%-Gr–Si elektrode (links) voor en (middel) na 20 a b c d

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 stoor

About Author

KOMMENTAAR

HANG TAGS

HIERDIE ARTIKEL IS AANGEBIED IN

Related Stories

Startups of The Year: Meet the Business Industry

"What If ... I didn't Do It?"

'Decentralization Means Freedom': Interview with Alfredo de Candia

Top Actionable Tips to Grow a Community: More Tips to Monetize

Startups of The Year: Meet the Business Industry

"What If ... I didn't Do It?"

'Decentralization Means Freedom': Interview with Alfredo de Candia

Top Actionable Tips to Grow a Community: More Tips to Monetize

Light-Mode

Classic

Newspaper

Minty

Dark-Mode

Neon Noir

Minty

HN StartUps