የግራፊን ግኝት የኤቪ ባትሪዎችን ዕድሜ ማራዘም እና ተጨማሪ ኃይል እንዲይዙ ያደርጋል

ደራሲያን፦ 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 አጭር መግለጫ ሲሊከን ለአዮን ባትሪ አዲስ ትውልድ አኖዶች እንደ ንቁ ቁስ አካል የሚlepasቀው የክብደቱ አቅም ማነፃፀር በማይቻልበት ሁኔታ ነው። ሆኖም፣ የሲሊከን መጠን በቻርጅ–ዲስቻርጅ ዑደቶች ላይ ያለው ትልቅ ለውጥ በድምጽ ጉልበት ጥግግት እና በዑደት ህይወት ውስጥ ያለውን ተወዳዳሪነት ያዳክማል። እዚህ ላይ የሲሊከን ናኖፓርቲክልስ ላይ ቀጥታ ግራፊን እድገትን ያለ ሲሊከን ካርቦይድ ምስረታ ዘግበናል። የግራፊን ሽፋኖች በሲሊከን ላይ የተጣበቁት በጎረቤት ግራፊን ንብርብሮች መካከል ባለው የመንሸራተት ሂደት አማካኝነት የሲሊከን መስፋፋትን ያሟላሉ። ከንግድ ሊቲየም ኮባልት ኦክሳይድ ካቶድ ጋር ሲጣመር፣ የሲሊከን ካርቦይድ-ነጻ ግራፊን ሽፋን ሙሉው ሴል በ1.8 እና 1.5 ጊዜ ከሚበልጡ የንግድ ሊቲየም-አዮን ባትሪዎች ጋር ሲነጻጸር በ1ኛ እና 200ኛ ዑደት ላይ በቅደም ተከተል 972 እና 700 Wh l−1 የድምጽ ጉልበት ጥግግት እንዲደርስ ያስችለዋል። ይህ ምልከታ የግራፊን ባለ ሁለት-ልኬት ሽፋን መዋቅር እና ከሲሊከን ጋር ያለው የሲሊከን ካርቦይድ-ነጻ ውህደት የሲሊከን አኖዶችን ወደ ንግድ ሊሰራጭ በሚችል ቴክኖሎጂ ለማሳደግ እንደ ፕሮቶታይፕ ሊያገለግል እንደሚችል ይጠቁማል። መግቢያ የሲሊከን (Si) ቲዎሬቲካል ክብደት አቅም ወደ 4,000 mAh g−1 አካባቢ ይደርሳል። ይህ ተወዳዳሪ የሌለው እሴት የባትሪውን ማህበረሰብ ከፍተኛ ምርምር እንዲያደርግ አነሳስቷል ምክንያቱም ከፍተኛ ክብደት አቅም የወደፊት የLIB መተግበሪያዎችን፣ እንደ ኤሌክትሪክ ተሸከርካሪዎችን፣ እውን ለማድረግ የሚያስችል ከፍተኛ የኃይል ማከማቻ መጠገኛዎችን እንዲጨምር ስለሚያስችል ነው።[1–5] ባለፈው አስርት አመት ውስጥ፣ የSi ትልቅ የድምጽ ለውጥን ለማስተናገድ የተለያዩ የላቁ ኤሌክትሮድ መዋቅሮች[6–16] እና ማያያዣ ንድፎች[17–19] ተዘጋጅተዋል፣ ይህም ለሺዎች ዑደቶች እንኳን የሳይክል አፈጻጸምን በእጅጉ ያሻሻለ ነው። በተስፋ ሰጪው የክብደት ዋጋ እና በዑደት ህይወት ውስጥ በተደረገው ጉልህ እድገት ቢኖርም፣ እስካሁን የተdemonstrated their Si anodes አብዛኞቹ የክብደት አቅምን ብቻ የጠቀሱ ሲሆን በድምጽ አቅማቸው ተመሳሳይ ተስፋ የሰጡ አይደሉም ምክንያቱም ያሉ የኤሌክትሮድ ንድፎች የSiን የድምጽ መስፋፋት ለማስተናገድ ቀድሞ በተወሰነ ክፍተት ላይ ይመሰረታሉ። በብዙ የLIB መተግበሪያዎች ውስጥ፣ ለምሳሌ በተንቀሳቃሽ ኤሌክትሮኒክስ ውስጥ፣ የድምጽ ጉልበት ጥግግት የባትሪ አፈጻጸምን ለመወሰን ወሳኝ ግቤት ነው። ከሚያንስ የዑደት ህይወት ጋር ተዳምሮ፣ ደካማ የድምጽ ጉልበት ጥግግት አሁን የSi አኖዶችን በንግድ ሴሎች ውስጥ ለመተግበር ዋናው እንቅፋት ነው። ይህንን ወሳኝ ፍላጎት ለማሟላት፣ የSi አኖድ ቴክኖሎጂ የኤሌክትሮድ መጠን ሲቀንስ የተረጋጋ የዑደት አፈጻጸምን በሚያቀርቡ የተለያዩ የኤሌክትሮድ ንድፎች እንደገና መጎብኘት ያስፈልገዋል። ምንም እንኳን የተለያዩ የSi ቅርጾች እና ከሌሎች አስተላላፊ ቁሶች ጋር ያላቸው ውህዶች አሁን ቢገኙም፣ ለከፍተኛ ደረጃ የጥራት ቁጥጥር ለሚፈልግ ትክክለኛ ምርት ለፈጣን መፍትሄ፣ ንቁ የSi ክፍሎችን በቀላሉ እና በስፋት ማምረት ወሳኝ ነው። ከጥቅም ላይ ከዋለ እይታ አንጻር፣ በብዙ ሊሰሩ ከሚችሉ እጩዎች መካከል፣ የንግድ Si ናኖፓርቲክልስ (NPs) ቀላል እና ውጤታማ አስተላላፊ የገጽታ ሽፋን መጠቀም በጣም የሚፈለግ ነው። እንደ አሞርፎስ ካርቦን (AC) ያሉ የተለያዩ አስተላላፊ ቁሶች ለSi NP አኖዶች እንደ ሽፋን ቁሶች ተመርምረዋል። ሆኖም፣ አብዛኛዎቹ የተተገበሩት የሽፋን ቁሶች የSiን የድምጽ መስፋፋት ማስተናገድ ባለመቻላቸው እና በዚህም ምክንያት በተደጋጋሚ ዑደቶች ላይ በመሰነጣጠቃቸው የተረጋጋ የረጅም ጊዜ የዑደት አፈጻጸምን በማቅረብ ይሳናቸዋል። የቀደሙት አስተላላፊ ሽፋኖች ውስንነትን ለመፍታት እንዲሁም ከፍተኛ የድምጽ ጉልበት ጥግግት ያለው ጥሩ የዑደት አፈጻጸምን ለማግኘት፣ በዚህ ጥናት ውስጥ፣ በSi ላይ በቀጥታ ያደገውን ባለብዙ-ንብርብር ግራፊን እንደ ሽፋን ቁስ እንጠቀማለን። የግራፊን ባለ ሁለት-ልኬት (2D) ሽፋን ባህሪ ለSi አኖዶች ልዩ እና ውጤታማ የሆነ አሰራርን ይሰጣል ምክንያቱም ባለብዙ-ንብርብር ግራፊን የSiን የድምጽ መስፋፋት በጎረቤት ንብርብሮች መካከል ባለው የመንሸራተት ሂደት ማስተናገድ ይችላል ያለ ቅድመ-ተዋጽኦ ክፍተት ሳይፈጠር። በተጨማሪም፣ ግራፊን-የተሸፈነው የSi NP ፔሌት በ1 wt% የግራፊን ይዘት ላይ 12.8 S cm−1 ን በከፍተኛ የፐርኮሌሽን ኔትወርክ በኩል ያሳያል። ይህንን ለማሳካት፣ የCO2፣ የmild oxidant፣ በመጠቀም የCVD ሂደት በማዳበር በSiC ምስረታ ያለ Si ገጽ ላይ ግራፊን የማሳደግን ፈተና እናልፋለን። የSiC ምስረታ በSi አኖድ ስራዎች ላይ ገዳይ ነው ምክንያቱም SiC የኤሌክትሪክ አስተላላፊ ያልሆነ እና ደካማ ጉድለት ባህሪያት ያለው ነው። በተጨማሪም፣ SiC ከLi አዮኖች ጋር ለመተባበር ንቁ አይደለም እና በዚህም ምክንያት ወደ Si ምዕራፍ የLi አዮን እንቅስቃሴን ያግዳል። በግራፊን ኢንተርለየር የመንሸራተት ሂደት እና በተሻሻለ የኤሌክትሪክ conductivity ድጋፍ፣ ግራፊን-የተሸፈነው የSi NPs የ2,500 mAh cm−3 የድምጽ አቅም (ከንግድ ግራፋይት 550 mAh cm−3 ጋር ሲነጻጸር) ላይ ይደርሳል፣ ይህም እስከዛሬ ለተዘገበው የLIB አኖዶች ሁሉ ከፍተኛው እሴት ሲሆን የላቀ የዑደት እና የፍጥነት አፈጻጸም ያሳያል። ውጤቶች በSi ላይ የSiC-ነጻ ግራፊን እድገት በCVD ሂደት አማካኝነት በSi ላይ ቀጥታ የከፍተኛ ጥራት ግራፊን እድገት አስቸጋሪ ሆኖ ተገኝቷል። ምክንያቱም የተለመዱ የግራፊን ውህደት ሁኔታዎች የሚቀንሱበትን ሁኔታ ስለሚጠይቁ ይህም የSiን ተፈጥሮአዊ ኦክሳይድ ሽፋን ከSi ገጽ ላይ በማንሳት እና ከዚያም ከSi እና ከተበታተኑ የካርበን ቅድመ-መነሻዎች መካከል የSiC ምስረታ እንዲፈጠር ያደርጋል። የH2 ድብልቅን እንደ የካርበን ቅድመ-መነሻነት በመጠቀም የእኛ የመጀመሪያ አቀራረብ የSi NPs ላይ የግራፊን እድገትን ማግኘት አልቻለም (ተጨማሪ ምስል 1)፣ በዚህም β-SiC ብቻ አስገኝቷል (ተጨማሪ ምስል 2)። ይህን ገደብ ለማሸነፍ፣ የCO2፣ የmild oxidant፣ን በCVD ሂደት ውስጥ ከCH4 ጋር አካተናል። የCO2 መካተት የSiC ምስረታን ከመከላከል በተጨማሪ ካለበት ገጽ ላይ ካለ ግራፊን እድገት ጋር ሲነጻጸር የእድገት ሙቀትን እንዲቀንስ ያስችላል። በእኛ ሙከራ፣ በ900 °C፣ የግራፊን እድገት ያልተሟላ ወይም ተመሳሳይነት የሌለው ነበር (ተጨማሪ ምስል 3)፣ በ1,100 °C ደግሞ የSi ገጽ ላይ ከመጠን በላይ የኦክሳይድ ሽፋኖችን አስከትሏል ይህም ለLi አዮን እንቅስቃሴ በጣም ወፍራም ነው (ተጨማሪ ምስል 4)። በመካከለኛ ሙቀት 1,000 °C፣ በTEM ምስሎች ላይ[ምስል 1a,b] እንደሚታየው 2–10 ንብርብሮች ግራፊን ተፈጥረዋል፣ ይህም የንብርብር መዋቅርን እና በአቅራቢያ ያለ 3.4 Å[ምስል 1b] ክፍተትን በግልፅ ያሳያል።። ይበልጥ መቅረብ የነጠላ ንብርብሮች በጫፎቻቸው[ምስል 1c ቀይ ቀስቶች] ላይ በቀጥታ ከSi ቅንጣት ወለል ጋር እንደተጣበቁ እና ከSi ወለል ጋር ትይዩ እንደሆኑ ያሳያል። እነዚህ በደንብ የተስተካከሉ የግራፊን ንብርብሮች በሊቲየሽን ወቅት እንኳን በንብርብሮች መካከል የመንሸራተት ሂደት[ምስል 1d] በመጠቀም የንብርብር መዋቅራቸውን ሊጠብቁ ይችላሉ፣ ይህም የSiን የድምጽ መስፋፋት ለማስተናገድ የሚያምር መንገድ ይሰጣል። የግራፊን እድገት በSi ኦክሳይድ (SiO2) ንጣፎች ላይ CH4 እና H2 በመጠቀም ተሞክሯል። ሆኖም፣ በእነዚህ ሂደቶች ውስጥ የግራፊን እድገት በጣም ውጤታማ አልነበረም ወይም SiC መፈጠርን አልተከላከለም። ውጤታማ ያልሆነው እድገት በSiO2 ወለል ላይ በቂ የcatalytic sites እጥረት ምክንያት ነው። በተቃራኒው፣ በእኛ ሂደት፣ የCO2 ተጨማሪ በ SiO መልክ አንዳንድ ጉድለቶች ያላቸውን ተጨማሪ የcatalytic sites ይፈጥራል። x ( ) የGr–Si NP ዝቅተኛ ማጉያ TEM ምስል። ( ) ከ ውስጥ ካለው ነጭ ሳጥን የተወሰደው ተመሳሳይ Gr–Si NP ከፍተኛ ማጉያ TEM ምስል። (Insets) ከሁለት ቀይ ሳጥኖች የተወሰዱ የመስመር መገለጫዎች የግራፊን ንብርብሮች መካከል ያለው ክፍተት ~3.4 Å መሆኑን ያሳያሉ፣ ይህም ከቫን ደር ዋልስ መስተጋብር ጋር ተመጣጣኝ ነው። ( ) የነጠላ ግራፊን ንብርብሮች ከየት እንደሚያድጉ የሚያሳይ ከፍተኛ ማጉያ TEM ምስል። ( ) የSi መስፋፋትን የሚያስተካክል የግራፊን ሽፋን ንብርብሮች የመንሸራተት ሂደትን የሚያሳይ ስዕላዊ ማሳያ። a b a c d የSiC-ነጻ ግራፊን እድገት በቡድን ደረጃ እና በነጠላ ቅንጣት ደረጃ ትንተናዎች ሁለቱም ተረጋግጠዋል። የSi 2 band[ምስል 2a] እና የX-ray diffraction (XRD) ስፔክትራ[ተጨማሪ ምስል 2] ውስጥ የSi 2 band የX-ray photoelectron spectroscopy መገለጫዎች የግራፊን-የተሸፈነ Si (Gr–Si)፣ AC-የተሸፈነ Si (AC–Si) እና ንፁህ Si ላይ ምንም የSiC መገኛ peaks የሉም፣ ከCO2-ነጻ መንገድ በመጠቀም CH4 እና H2 በመጠቀም ከተሰራው የቁጥጥር (SiC–Si) ናሙና ጋር ሲነጻጸር። በሌላ በኩል፣ ከፍተኛ-ማዕዘን ጨለማ መስክን በመጠቀም የተደረገው የፍተሻ TEM ምስል የSi NP ኮር-ሼል መዋቅር እንዳለው ያሳያል፣ ደማቅ ኮር እና ቀጭን በአንፃራዊነት ጨለማ ሼል ለSi ኮር እና ለኦክሳይድ ሽፋን ተብሎ የተሰጠ ነው።[ምስል 2b] የ NP ን በተለያዩ ቦታዎች የተገኘ የኤሌክትሮን ኢነርጂ ኪሳራ ስፔክትሮስኮፒ (EELS) ስፔክትራ[ምስል 2c] የSiC ምስረታን የሚያንፀባርቁ ምንም ምልክቶች አልነበራቸውም፣ ይህም በአሁኑ የእድገት ሂደት ውስጥ የSiC-ነጻ እድገትን ያረጋግጣል። እንዲሁም፣ በ108 eV የSiO2 ምልክቶች በ1 እና 2 ነጥቦች ላይ ከሌሎቹ ማዕከላዊ ነጥቦች ይልቅ በኃይል ተገኝተዋል፣ ይህም የSiO2 ወለል ለግራፊን እድገት እንደ catalytic sites እንደሚያገለግል ያሳያል። የSiO2 ወለል ንብርብሮች የማያቋርጥ መኖር በXRD[ተጨማሪ ምስል 2] እና EELS[ምስል 2b,c] ካራክተራይዜሽን ተረጋግጧል። p p ( ) የSi 2 band የX-ray photoelectron spectroscopy ስፔክትራ ለGr–Si, SiC–Si, AC–Si እና ንፁህ Si። ( ) የGr–Si NP የፍተሻ TEM ምስል። ( ) በ ውስጥ ለተጠቀሱት ነጥቦች የEELS ስፔክትራ። a p b c b በቦታው ላይ የTEM ትንተና አሁን Gr–Si ን በLIBs ውስጥ እንደ አኖድ ቁስ እንጠቀማለን። የGr–Si NPs (1 wt% ግራፊን) የሊቲየሽን በድምጽ መስፋፋታቸው ወቅት በ TEM ትንተና[29–32] በተጨባጭ ሰዓት ተከታትሏል። በተጨባጭ ሙከራው ላይ፣ አንዳንድ Gr–Si ቅንጣቶች በAu-የተስተካከለ ኤሌክትሮድ ላይ ተቀምጠዋል። ሁለተኛ፣ ግን ሊንቀሳቀስ የሚችል፣ የLi/LiO2 ጫፍ ያለው ኤሌክትሮድ የGr–Si NPsን ለመንካት እና ለማሊቲየም ለማድረግ ተቀምጧል።[ምስል 3a] ከሁለተኛው ኤሌክትሮድ ጋር ግንኙነት እንደተደረገ፣ ቅንጣቶች ማበጥ ጀመሩ።[ምስል 3b] ስለዚህ ሂደት የበለጠ ዝርዝር መረጃ በ[ተጨማሪ ምስል 5] እና [ተጨማሪ ፊልሞች 1–3] ውስጥ ማየት ይቻላል። ሁለት አይነት የሚያብጡ መዋቅሮች ታይተዋል፣ ማለትም ጉድለት የሌለባቸው ቅንጣቶች እና ጉድለት ያለባቸው ቅንጣቶች በ[ምስል 3b,c] እንደተጠቀሱት። ግራፊን ቅንጣቱን ሙሉ በሙሉ የሸፈነበት እና ግልጽ የሆኑ ጉድለቶች የሌሉበት ሁኔታ[ምስል 3d]፣ ዲያሜትሩ በ~30% (220% የድምጽ መስፋፋት) ጨምሯል። በሊቲየሽን መጨረሻ ላይ፣ የግራፊን ንብርብሮች የመንሸራተቻ ክፍተት ወደ 3.8 Å ከፍ ብሏል ይህም ለLi intercalation ያሳያል፣ እና የግራፊቲክ ሽፋን ንብርብር ባህሪ በNP[ምስል 3d] ዙሪያ ተጠብቆ ነበር፣ ይህም በንብርብሮች መካከል የመንሸራተት ሂደትን ይጠቁማል።[ምስል 3c] እንደሚታየው። የጉድለት ያለበት ክልል ባለበት ሁኔታ[በምስል 3a ላይ ባለው አረንጓዴ ክበብ]፣ በሚያብጥበት ጊዜ፣ የውስጥ ቅንጣቱ ይሰነጠቃል እና ጉድለቱን[ምስል 3e] አልፎ ይፈነዳል። የታዩት ልዩ የመሰነጣጠቅ ባህሪያት ከቅንጣት መጠን የመነጩ አይመስሉም፣ ምክንያቱም ትልቅ የሆነው የተሸፈነ ቅንጣት ከ[ምስል 3] ውስጥ ከተሰነጠቀው ይልቅ አልተሰነጠቀችም (በ[ተጨማሪ ምስል 5] ላይ በ0 እና 40 ሰከንድ ላይ የተጠቀሱትን ቅንጣቶች ይመልከቱ)። በተጨማሪም፣ የቅርብ ጊዜ ምልከታ እንደሚያሳየው፣ የLi የትኩረት ልዩነት በቅንጣቶች ውስጥ ትልቅ ውጥረት ሊፈጥር ስለሚችል፣ ባይሸፈንም፣ ትናንሽ የSi ቅንጣቶች ( 200 nm ሊደርስ ይችላል። in situ ( ) የAu ሽቦ ወለል ላይ የተቀመጡ Gr–Si NPs እና ሁለተኛ Li/LiO2 ኤሌክትሮድ። ( ) ተመሳሳይ Gr–Si NPs ከተነጣጠሩ በኋላ። ( ) ለሁለቱም ጉድለት የሌለባቸው እና ጉድለት ያለባቸው የግራፊን ሽፋኖች የሊቲየም Gr–Si NPs ስዕላዊ ማጠቃለያ። ( , ) ለ( ) ጉድለት የሌለው ቅንጣት (በ እና በቀይ መስመር የተከበበው) እና ( ) ጉድለት ያለበት ቅንጣት (በ እና በሰማያዊ መስመር የተከበበው) የቅርብ TEM ምስሎች። ሁለቱም ሁኔታዎች የEELS ስፔክትራ የሊቲየሽንን ያረጋግጣሉ። ከቀይ ሳጥኖች የተወሰዱ የመስመር መገለጫዎች የሊቲየሽንን የሚያንፀባርቅ ወደ 3.8 Å የሚጠጋ የመንሸራተቻ ክፍተት ያሳያሉ። a b c d e d a b e a b በሊቲየሽን ወቅት የአካባቢ EELS ትንተና ለሁለቱም ጉዳዮች የSi ሊቲየሽንን ከ55 eV አጠገብ ባለው ደብዛዛ Li K-edge እና 100 eV[ምስል 3d,e] ላይ ባለው Si L-edge ያረጋግጣል፤። በ[ምስል 3d] ላይ በግራፊን ወለል ላይ የሚታየው ንብርብር ለLi/Li2O ቅሪት ተብሎ ተመዝግቧል። ዋናው ነገር፣ የግራፊን ንብርብሮች በSi ወለል ላይ ባላቸው ኬሚካላዊ ትስስር ያላቸውን ሥሮች በመጠበቅ ከSi ጋር ያለውን ግንኙነት ይጠብቃሉ፣ እና በተመሳሳይ ጊዜ፣ የመንሸራተት ሂደት ጥቂት የንብርብር ግራፊን ሽፋን የSiን የድምጽ መስፋፋት እንዲያስተናግድ ያስችለዋል። በተናጠል TEM ሙከራ ከGr–Si LIB ኤሌክትሮድ ጋር፣ አማካይ የግራፊን ንብርብሮች ብዛት ከተለያዩ ቦታዎች ላይ ከተሰላ በኋላ ከ9.4 ወደ 5.6 ንብርብሮች[ተጨማሪ ምስል 6] መቀነሱ ታይቷል፣ ይህም የመንሸራተት ሂደቱን እንደገና ያረጋግጣል። ex situ የግራፊን ሽፋን እና የመንሸራተት ሂደት የSi ቅንጣትን ታማኝነት በድምጽ መስፋፋት ወቅት ለመጠበቅ የሚረዳ የማጥበቂያ ኃይል ያመነጫል። ሆኖም፣ ይህ የማጥበቂያ ዘዴ የLi እንቅስቃሴን አይመስልም፣ ምክንያቱም ጥሩ የዋጋ አቅም በአፈጻጸም መለኪያዎች ላይ ስለሚገኝ። በተጨማሪም፣ የቅንጣቶች የድምጽ መስፋፋት በአጠቃላይ፣ ሁለተኛው ኤሌክትሮድ ከኤሌክትሮድ ጋር ያለው ግንኙነት በጣም የተገደበ ቢሆንም፣ በሁሉም ራዲያል አቅጣጫዎች ላይ ተመሳሳይነት ያለው መሆኑ ትኩረት የሚስብ ነው። ይህ የግራፊን ንብርብሮች ለhomogeneous Li አዮን ወደ Si ኮር እንቅስቃሴ[በ[ምስል 3a,b] ላይ ያሉ ቀይ እና ብርቱካናማ ነጥቦችን ይመልከቱ] ያለውን ዝንባሌ ያሳያል። የ ትንተና በተጨማሪም በግራፊን ንብርብሮች በኩል ያለው የLi እንቅስቃሴ በጣም ፈጣን መሆኑን ያሳያል፣ ይህም ከቀደሙት ጥናቶች ጋር ይስማማል። በተጨማሪም፣ የታየው የማጥበቂያ ውጤት በዋናነት ከግራፊን ሽፋን ንብርብሮች እንጂ ከተፈጥሮአዊ የኦክሳይድ ሽፋኖች የሚመነጭ አይደለም ምክንያቱም የገጽ ኦክሳይድ ሽፋኖች በቂ ተጽእኖ ለማሳደር በጣም ቀጭን ናቸው። የገጽ ኦክሳይድ ንብርብሮች ላይ የተመሰረተው የማጥበቂያ ውጤት Si ባዶ መዋቅሮች ሲኖሩት ወይም የኦክሳይድ ንብርብሮች በጣም ወፍራም ሲሆኑ ብቻ ታይቷል። in situ የኤሌክትሪክ conductivity እና ኤሌክትሮኬሚካል መለኪያዎች የግራፊን እድገት ከተደረገ በኋላ፣ የንቁ ቁስ ስብስብ conductivity በከፍተኛ ሁኔታ ይሻሻላል። በዱቄት መልክ ሲሰፍር፣ ንፁህ Si ዝቅተኛ conductivity (<10−7 S cm−1) አሳይቷል፣ በ1 wt% ግራፊን መጨመር conductivityን በ12.8 S cm−1[ምስል 4a] ከፍ አድርጎታል። ይህ መሻሻል በ2D ግራፊን እና በደንብ በተስተካከለ የንብርብር አቀማመጥ ምክንያት የተመሰረተውን የላቀ የፐርኮሌሽን ባህሪን ያጠቃልላል ይህም በደንብ የተገናኘ አስተላላፊ ኔትወርክን[ተጨማሪ ምስል 7] ይፈጥራል፣ እንዲሁም ከቀደምት ግራፊን-ፖሊመር ኮምፖዚቶች ጋር ይስማማል። የ5 wt% የግራፊን ይዘት ያለው conductivity ወደ 38.3 S cm−1 ከፍ ብሏል። ( ) በተለያዩ የካርበን ይዘቶች ላይ የGr–Si, AC–Si እና Super P–Si የፔሌት conductivity። ( ) የመጀመሪያው የሊቲየሽን-ዲሊቲየሽን መገለጫዎች። የ5 wt%-Gr–Si, 1 wt%-Gr–Si, 2 wt%-AC–Si እና ንፁህ Si (Super P 1 wt%) የኤሌክትሮድ ውፍረት በቅደም ተከተል 4.5, 5.0, 8.3 እና 12.3 μm ናቸው። ( ) የሊቲየሽን (የተሞላ ክብ) እና ዲሊቲየሽን (ባዶ ክብ) አቅም መያዣዎች፣ ይህም ከተመሳሳይ አራት ናሙናዎች ነው። 0.5C ላይ በ0.01 እና 1.5V መካከል ባለው የቮልቴጅ መስኮት ውስጥ እምቅ አቅሙ ተዳሷል። ( ) የላይኛው እይታ የSEM ምስሎች፦ 5 wt%-Gr–Si ኤሌክትሮድ (ግራ) ከ200 ዑደቶች በፊት እና (መሃል) በኋላ እና (ቀኝ) 2 wt%-AC–Si ኤሌክትሮድ ከ200 ዑደቶች በኋላ። ( ) የ5 wt%-Gr–Si የ200 ዑደቶች በኋላ የተገኘ ከፍተኛ ማጉያ TEM ምስል ከዝቅተኛ ማጉያ TEM ምስል (የላይኛው inset) ውስጥ ካለው ነጭ ሳጥን። መካከለኛው inset: የተመረጠ የቦታ ኤሌክትሮን ዲፍራክሽን ይህም ከዑደት በኋላ የSi አሞርፎስ ተፈጥሮን ያሳያል። የታችኛው inset: ከግራፊን ንብርብሮች ከቀይ ሳጥን የተወሰደ የመስመር መገለጫ ይህም 3.8 Å የሆነ የመንሸራተቻ ክፍተት ያሳያል። ( ) የ5 wt%-Gr–Si የፍጥነት አፈጻጸም በተለያዩ የመጀመሪያ የቆዳ አቅሞች (3.0, 2.0 እና 1.0 mAh cm−2)። a b c d e f የGr–Si NPs የኤሌክትሮኬሚካዊ አፈጻጸም የሳንቲም አይነት ግማሽ ሴሎችን በማዘጋጀት ተፈትኗል ይህም የLi metal እንደ ቆጣሪ/ማጣቀሻ ኤሌክትሮድ ሆኖ ያገለግላል። ለማነጻጸር፣ ከተለያዩ የግራፊን ይዘቶች ጋር ከGr–Si በተጨማሪ፣ AC–Si እና ንፁህ Si ተመርምረዋል። የግራፊን ይዘት በእድገት ሰዓት ተስተካክሏል while the growth temperature was fixed to 1,000 °C. ሁሉም ናሙናዎች በ0.1 እና 0.4V በተመዛኙ Li/Li+ ላይ በተመዘገቡ የሊቲየሽን እና ዲሊቲየሽን ፕላቶዎች[ምስል 4b] በ0.05C፣ 1C=2,000 mA g−1, 0.01–1.5 V vs Li/Li+] ውስጥ የመጀመሪያውን ዑደት አሳይተዋል። 5 wt%-Gr–Si, 1 wt%-Gr–Si, 2 wt%-AC–Si እና ንፁህ Si በቅደም ተከተል 2,820/2,340, 2,341/1,629, 3,143/1,160 እና 3,632/741 mAh g−1 የሊቲየሽን/ዲሊቲየሽን አቅም አሳይተዋል፣ የSi እና የተሸፈነው ግራፊን ሲወሰድ፣ ይህም የ83%, 69%, 37% እና 20% የመጀመሪያ Coulombic efficiency (CEs) አስገኝቷል። የAC–Si ዝቅተኛ ተገላቢጦሽ አቅም እና የመጀመሪያ CEs የAC ንብርብሮች Li አዮኖችን ከሚይዙት ጉድለቶች ጋር የተያያዙ ናቸው። የግራፊን ሽፋን በዑደት አፈጻጸም ላይ[ምስል 4c] እና[ተጨማሪ ምስል 8] ላይ ከፍተኛ ልዩነት ያመጣል። ለናሙናዎች ፍትሃዊ ንጽጽር፣ በመጀመሪያ የቆዳ አቅምን 1 mAh cm−2 አድርገናል። በዚህ ገደብ ስር፣ የ2 wt%-AC–Si እና ንፁህ Si የዋጋ መውደቅ በEarly cycles እንኳን ጉልህ ነበር፣ ይህም ቀላል AC ሽፋን ምንም አይሰራም የሚያሳይ ነው። በሁለቱ Gr–Si ናሙናዎች መካከል፣ 5 wt%-Gr–Si ከ1 wt%-Gr–Si (85% vs 70% retention after 200 cycles) የተሻለ አፈጻጸም አሳይቷል፣ ይህም እንደ የቆዳ አቅሙ፣ የግራፊን ይዘት ወሳኝ እንደሚሆን ይጠቁማል። የ1 wt%-Gr–Si ዝቅተኛ መያዣ በዚሁ የግራፊን ይዘት ላይ[ምስል 3e] ላይ ባደረግነው *in situ* TEM ምርመራ ላይ እንደታየው በየጊዜው በሚከሰቱ ጉድለቶች ሊብራራ ይችላል። ለ5% ግራፊን ናሙናው፣ ሙከራው እስከ 6 mAh cm−2[ተጨማሪ ምስል 8b] ድረስ ለከፍተኛ የቆዳ አቅሞች ተዘርግቷል። ለ1, 3, እና 6 mAh cm−2 የቆዳ አቅሞች፣ ከ100 ዑደቶች በኋላ ያለው የአቅም መያዣ በቅደም ተከተል 96%, 91% እና 43% ነበር። እነዚህ ናሙናዎች ከ100 ዑደቶች በኋላ 99.6, 99.3, እና 99.4% የጥሩ CEs ንም ሰጥተዋል። የSi NPs ላይ ባለው የግራፊን ሽፋን ተጽእኖ ላይ የSi NPs መዋቅር ላይ ያለው ተጽእኖ ከ200 ዑደቶች በኋላ በድህረ-ሞት የፍተሻ ኤሌክትሮን ማይክሮስኮፕ (SEM) እና TEM ምስሎች ተብራርቷል። ከ200 ዑደቶች በኋላም ቢሆን፣ የ5 wt%-Gr–Si SEM ምስል ግልጽ የሆኑ ቅንጣት ድንበሮች[ምስል 4d] ያላቸውን ግለሰብ NPs ያሳያል። በተቃራኒው፣ የ2 wt%-AC–Si SEM ምስል የጠንካራ ኤሌክትሮላይት ኢንተርፌስ (SEI) ንብርብሮች በየግለሰብ NPs ላይ ከመጠን በላይ ማደግ እና መሸፈን እንዳሳየ ያሳያል፣ ይህም የSEI ንብርብሮች ላይ የግራፊን ሽፋን አስፈላጊነትን ያሳያል። የTEM ትንተናዎች[ምስል 4e] እና[ተጨማሪ ምስሎች 9–11] የ5 wt%-Gr–Si ንብርብሮች የግራፊን ሽፋንን ጠብቀው ማሳየት ችለዋል፣ ይህም በድጋሚ በዑደት የመንሸራተት ሂደት አማካኝነት ከSi NPs ጋር ያላቸውን ጠንካራ ግንኙነት ያረጋግጣል። በተጨማሪም፣ የ5 wt%-Gr–Si 3 mAh cm−2 የቆዳ አቅም ያለው የፊልም ውፍረት ከ5 wt%-Super P-pristine Si (77.4%, 10.2→18.1 μm) ከግማሽ የቆዳ ልዩ አቅም ጋር ሲነጻጸር በ51.3% (15.0→22.7 μm) ጨምሯል። በ[ተጨማሪ ምስሎች 10] እና [ተጨማሪ ምስሎች 11] ላይ ከ1ኛ እና 200ኛ ዲሊቲየሽን በኋላ ባለው TEM ምስሎች መሰረት፣ የግራፊን ንብርብሮች የመንሸራተቻ ክፍተት ~3.8 Å ላይ ቆይቷል፣ ይህም የመንሸራተት ሂደት ሙሉ በሙሉ ተገላቢጦሽ እንዳልሆነ ያሳያል። እነዚህ ክስተቶች በSEI ንብርብር መፈጠር እና በግራፊን ንብርብሮች መካከል ባለው ቀሪ Li አዮኖች ጥምር ተጽእኖ ምክንያት ናቸው፣ እንዲሁም በመጀመሪያው ዲሊቲየሽን ወቅት ከ1ኛ ሊቲየሽን የድምጽ መስፋፋት ያነሰ የድምጽ መሸርሸር። ሆኖም ግን፣ የግራፊን ንብርብሮች በSi ወለል ላይ ተጣብቀው ይቆያሉ፣ ቀጣይነት ያላቸውን የማስተላለፊያ ወኪል እና የSi የድምጽ መስፋፋትን ለማስተናገድ እንደ ማመቻቻ መካከለኛ ሆነው ያገለግላሉ። የግራፊን ሽፋን