
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Outers: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 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 onderskei aandag ontvang as 'n aktiewe materiaal vir volgende generasie litium-ioon battery anodes weens sy ongeëwenaarde gravimetriese kapasiteit. Die groot volumeverandering van silikon oor laai-ontlaai-siklusse verswak egter sy mededingendheid in volumetriese energiedigtheid en siklepsduur. Hier rapporteer ons direkte grafeen groei oor silikon nanopartikels sonder silikonkarbied vorming. Die grafeen lae wat op die silikon-oppervlak vasgeanker is, akkommodeer die volumevergroting van silikon via 'n glyproses tussen aangrensende grafeenlae. Wanneer dit gepaar word met 'n kommersiële litiumkobaltooksied katode, laat die silikonkarbied-vrye grafeenbedekking die vol sel toe om volumetriese energiedigthede van 972 en 700 Wh l−1 te bereik by die eerste en 200ste siklus onderskeidelik, 1.8 en 1.5 keer hoër as dié van huidige kommersiële litium-ioon batterye. Hierdie waarneming suggereer dat die tweedimensionele gelaagde struktuur van grafeen en sy silikonkarbied-vrye integrasie met silikon kan dien as 'n prototipe in die bevordering van silikon anedes 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-ioon batterye (LIBs) aansienlik te verhoog, en sodoende toekomstige LIB-toepassings, soos elektriese voertuie, tot werklikheid te bring , , , , . In die afgelope dekade, diverse gevorderde elektrode strukture , , , , , , , , , ,  en bindermodelle , ,  is ontwikkel om chroniese kapasiteitsverliesprobleme wat ontstaan uit die groot volumeverandering van Si, op te los, wat gelei het tot aansienlik verbeterde siklusprestasie, selfs oor duisende siklusse . Ondanks die veelbelowende gravimetriese waarde en aansienlike vordering in siklepsduur, het die meeste Si anedes wat tot dusver gedemonstreer is, hoofsaaklik op die gravimetriese kapasiteit gefokus, maar het nie soortgelyke belofte in hul volumetriese kapasiteit gebied nie, omdat bestaande elektrode ontwerpe afhanklik is van vooraf gedefinieerde leë ruimte 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 siklepsduur, is swak volumetriese energiedigtheid tans 'n groot struikelblok in die implementering van Si anedes in kommersiële selle. Om aan hierdie kritieke vraag te voldoen, moet Si anode tegnologie heroorweeg word met verskillende elektrode ontwerpe 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 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-standaard 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 oppervlakbedekking hoogs wenslik wees. Verskeie geleidende materiale, insluitend amorfe koolstof (AC), is ondersoek as bedekkingsmateriaal vir Si NP anedes , , . Die meeste van hulle slaag egter nie daarin om stabiele langtermyn siklusprestasie te lewer nie omdat die geïmplementeerde bedekkingsmateriale nie in staat is om die volumevergroting van Si te 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 behaal, gebruik ons ​​in hierdie studie meerlaagse grafeen wat direk op die Si-oppervlak gegroei is as 'n bedekkingsmateriaal. Die tweedimensionele (2D) gelaagde karakter van grafeen bied 'n unieke en doeltreffende werking van Si anedes, aangesien meerlaagse grafeen Si volumevergroting kan akkommodeer via 'n glyproses tussen aangrensende lae sonder die behoefte om leë ruimte vooraf in die as-gemaakte elektrode te voorsien   Ook, die grafeen-bedekte Si NP-tablet vertoon 12.8 S cm−1 by 'n marginale grafeeninhoud van 1 wt% deur 'n hoë perkolasienetwerk. Om dit te bereik, 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 oksideermiddel behels. SiC vorming is noodlottig in Si anode operasies omdat SiC 'n elektriese isolator is met swak defekeienskappe. Boonop is SiC onaktief in reaksie met Li ione en belemmer gevolglik Li ion diffusie 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 (vs. 550 mAh cm−3 van kommersiële grafiet), die hoogste waarde onder dié wat tot dusver vir enige LIB anedes aangemeld is, terwyl uitstekende siklus- en snelheidprestasie vertoon word. . Resultate SiC-vrye grafeen groei op Si Die direkte groei van hoë-gehalte grafeen op Si via CVD proses het uitdagend geblyk  omdat tipiese grafeen sintese toestande 'n reduktiewe atmosfeer vereis wat geneig is om die natuurlike 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 nie grafeen groei op die Si NPs bereik nie ( ), wat slegs β-SiC gelewer het ( ). Om hierdie beperking te oorkom, het ons koolstofdioksied (CO2), 'n sagte oksideermiddel, in die CVD proses ingesluit, tesame 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 grafeen groei op oppervlaktes . 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 was 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 sowel as die tussenlaagafstand naby 3.4 Å toon ( , insetsel). Noukeurige ondersoek dui aan dat individuele lae direk aan die Si-partikeloppervlak aan hul punte vasgeanker is (rooi pyle in  ) en parallel aan die Si-oppervlak lê. Hierdie goed-gealigneerde grafeenlae kan hul gelaagde stapelingstruktuur handhaaf selfs tydens litiasie via 'n glyproses ( ), en bied sodoende 'n elegante manier om die volumevergroting van Si te akkommodeer. Grafeen groei is op Si dioksied (SiO2) oppervlaktes probeer met behulp van CH4 en H2 (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. Daarenteen, in ons proses, genereer die CO2 byvoeging meer katalitiese plekke in die vorm van SiO  met enkele 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 tussenlaagafstand tussen grafeenlae ∼3.4 Å is, in goeie ooreenstemming met dié van tipiese grafeenlae gebaseer op van der Waals interaksie. ( ) 'n Hoë-vergroting TEM beeld wat die oorsprong (rooi pyle) visualiseer waaruit individuele grafeenlae groei. ( ) 'n Skematiese illustrasie wat die glyproses van die grafeenbedekkingslae toon wat die volumevergroting van Si kan buffer. 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 ( ) sowel as X-straal diffraksie (XRD) spectra ( ) 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 gesintetiseer is deur 'n CO2-vrye roete met CH4 en H2. Aan die ander kant, 'n skandeer TEM beelding met hoë-hoek annulerende donker veld het getoon dat die Si NP 'n kern-skil struktuur het met 'n helderder kern en dun relatief donkerder skil wat toegeskryf word aan 'n Si kern en 'n oksiedbedekking ( ). Elektron energie verlies spektroskopie (EELS) spectra ( ) verkry vir veelvuldige kolwette oor die NP het geen seine vertoon nie  wat ooreenstem met SiC vorming, wat SiC-vrye groei in die huidige groeipro ses bevestig. Ook, SiO2 seine by 108 eV is by kolwette 1 en 2 sterker as die ander kolwette in die middel opgemerk, 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 spectra in die Si 2  band vir Gr–Si, SiC–Si, AC–Si en suiwer Si. ( ) 'n Skandeer TEM beeld van 'n Gr–Si NP. ( ) EELS spectra vir die kolwette aangedui in  . a p b c b  TEM analise In situ Ons wend ons nou tot die gebruik van Gr–Si as 'n anode materiaal in LIBs. Die litiasie van die Gr–Si NPs (1 wt% grafeen) is in real-time gemonitor tydens hul volumevergroting met behulp van   TEM analise , , , . In die werklike eksperiment is sommige Gr–Si partikels op 'n goue (Au)-vaste elektrode geplaas. 'n Tweede, maar beweegbare, elektrode met Li/LiO2 aan die punt daarvan is geposisioneer om net in kontak te kom met die Gr–Si NPs om hulle te litieer ( ). 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 uitdyende strukture is waargeneem, naamlik nie-defektiewe partikels en defektiewe 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 tussenlaagafstand van die grafeenlae tot 3.8 Å toegeneem wat ooreenstem met Li interkalasie , en die gelaagde karakter van die grafietbedekking is rondom die NP bewaar ( ), wat 'n glyproses tussen lae voorstel soos geïllustreer in  . In gevalle waar 'n defektiewe streek bestaan (sien groen sirkel in  ), na uitdying, vergruis die binne-partikel en skeur deur die defek ( ). Die waargenome onderskeibare breukgedrag is onwaarskynlik om van partikelgrootte te wees, 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, onlangse waarneming  dui aan dat, indien nie ingekapsuleer nie, selfs kleiner Si partikels (<50 nm) kan breek as gevolg van Li konsentrasiegradiënt binne die partikels wat 'n aansienlike spanning kan skep. Trouens, die kritieke grootte van Si partikelbreuk is geval-afhanklik, en hou verband met hoe doeltreffend die spanning wat opgebou word tydens volumevergroting 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 geheg aan die oppervlak van Au draad en 'n tweede Li/LiO2 elektrode. ( ) Dieselfde Gr–Si NPs na litiasie. ( ) 'n Skematiese opsomming van gelitieerde Gr–Si NPs vir beide nie-defektiewe en defektiewe grafeen inkapsulering. ( , ) Noue-af TEM beelde vir ( ) nie-defektiewe partikel (die een omlyn met die rooi lyn in   en  ) en ( ) defektiewe partikel (die een omlyn met die blou lyn in   en  ). Die EELS spectra in beide gevalle bevestig die litiasie. Die lynprofiele van die rooi bokse in beide gevalle toon verhoogde tussenlaagafstande van ca. 3.8 Å, wat ooreenstem met litiasie in die grafeen tussenlaagruimte. a b c d e d a b e a b Lokale EELS analise tydens litiasie verifieer die litiasie van Si vir beide gevalle deur 'n vervaagde Li  -rand naby 55 eV asook Si  -rand by 100 eV ( ; ref.  ). Die laag wat op die oppervlak van grafeen in   getoon word, word toegeskryf aan Li/Li2O residu. In wese, die grafeenlae behou die integrasie met Si deur hul chemies gebonde wortels op die Si-oppervlak, en terselfdertyd, die glyproses laat die paar lae grafeenbedekking 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 grafeenlae gemeet op verskillende lokaliteite afgeneem het van 9.4 tot 5.6 lae ( ) na die eerste litiasie, wat die tussenlaag glyproses weer bevestig. K L Fig. 3d,e 36 Fig. 3d ex situ Supplementary Fig. 6 Die grafeen inkapsulering en tussenlaag glyproses oefen 'n knypkrag uit wat help om Si partikel integriteit te handhaaf tydens volumevergroting. Hierdie knypmeganisme blyk egter nie Li diffusie te beïnvloed nie, aangesien goeie spesifieke kapasiteite in die elektrochemiese metings behaal word. Dit is ook opmerklik dat die volumevergroting van partikels, oor die algemeen, uniform was in alle radiale rigtings, selfs al is die kontakpunt met die tweede elektrode hoogs gelokaliseer. Dit beklemtoon die grafeenlae se neiging tot homogene Li ion diffusie in die Si kern (sien rooi en oranje kolletjieslyne in  ). Die   analise dui ook aan dat Li diffusie deur die grafeenlae redelik vinnig is, in ooreenstemming met vorige studies , . Daar word ook opgemerk dat die waargenome knyp effek hoofsaaklik van die grafeenbedekkingslae afkomstig is eerder as natuurlike oksiedlae op die oppervlak, omdat die oppervlak oksiedlae te dun is om 'n beduidende effek te hê. Die knyp 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 grafeen groei, word die geleidingsvermoë van die aktiewe materiaal samestelling merkbaar verbeter. Wanneer dit in poeier in 'n tablet gevorm word, het suiwer Si 'n lae geleidingsvermoë van <10−7 S cm−1 getoon, terwyl selfs 1 wt% van grafeen byvoeging die geleidingsvermoë aansienlik tot 12.8 S cm−1 verhoog het ( ). Hierdie verbetering word toegeskryf aan uitstekende perkolasiegedrag van die grafeenbedekkingslae op 'n manier dat die 2D grafeen en sy goed-gealigneerde 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 tablet geleidingsvermoë van Gr–Si, AC–Si en Super P–Si by verskillende koolstofinhoude. ( ) Die eerste litiasie–delitiasie profiele. Die elektrode diktes 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 litiasie (gevulde sirkel) en del a b c

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 Graphene-Deurbraak Kan EV-Batterye Langer Laat Hou en Meer Energie Berg

About Author

KOMMENTAAR

HANG TAGS

HIERDIE ARTIKEL IS AANGEBIED IN

Related Stories

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

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

$30M Raised in 30 Minutes and the Controversies to Follow: The Story Behind Dexter’s GM.ai Project

Meet the Writer: HackerNoon Contributor Daniil Sitdikov, Software Engineer

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

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

$30M Raised in 30 Minutes and the Controversies to Follow: The Story Behind Dexter’s GM.ai Project

Meet the Writer: HackerNoon Contributor Daniil Sitdikov, Software Engineer

Light-Mode

Classic

Newspaper

Minty

Dark-Mode

Neon Noir

Minty

HN StartUps