اختراق في مادة الجرافين قد يجعل بطاريات السيارات الكهربائية تدوم أطول وتخزن المزيد من الطاقة

المؤلفون: إن هيوك سون جونغ هوان بارك سون تشول كوون سيونغ يونغ بارك مارك إتش. روميلي أليسيا باتشمايوتشوك هيون جاي سونغ جون هوان كو جانغ ووك تشوي جاي مان تشوي سيوك جوانغ دو هيوك تشانغ ملخص يحظى السيليكون باهتمام ملحوظ كمادة نشطة لأقطاب بطاريات الليثيوم أيون من الجيل التالي نظرًا لسعته الوزنية التي لا مثيل لها. ومع ذلك، فإن التغير الكبير في حجم السيليكون أثناء دورات الشحن والتفريغ يضعف قدرته التنافسية من حيث كثافة الطاقة الحجمية وعمر الدورة. هنا، نبلغ عن نمو مباشر للجرافين فوق جزيئات السيليكون النانوية دون تكوين كربيد السيليكون. طبقات الجرافين المرتبطة بسطح السيليكون تستوعب تمدد حجم السيليكون عبر عملية انزلاق بين طبقات الجرافين المتجاورة. عند اقترانها بقطب ليثيوم كوبالت أكسيد تجاري، يسمح طلاء الجرافين الخالي من كربيد السيليكون للخلية الكاملة بالوصول إلى كثافة طاقة حجمية تبلغ 972 و 700 واط ساعة لتر -1 في الدورة الأولى و 200 على التوالي، وهي أعلى بـ 1.8 و 1.5 مرة من بطاريات الليثيوم أيون التجارية الحالية. تشير هذه الملاحظة إلى أن الهيكل الطبقي ثنائي الأبعاد للجرافين وتكامله الخالي من كربيد السيليكون مع السيليكون يمكن أن يكون نموذجًا أوليًا في تطوير أقطاب السيليكون إلى تكنولوجيا قابلة للتطبيق تجاريًا. مقدمة تبلغ السعة الوزنية النظرية للسيليكون (Si) ما يقرب من 4000 مللي أمبير ساعة جرام -1. حفزت هذه القيمة التي لا مثيل لها مجتمع البطاريات على استثمار جهود بحثية كبيرة لأن السعة الوزنية العالية تمكن من زيادة كثافة الطاقة لبطاريات الليثيوم أيون (LIBs) بشكل كبير، وبالتالي تحقيق تطبيقات مستقبلية لبطاريات الليثيوم أيون، مثل المركبات الكهربائية، على أرض الواقع ، ، ، ، . في العقد الماضي، تم تطوير هياكل أقطاب كهربائية متقدمة متنوعة ، ، ، ، ، ، ، ، ، ، وتصميمات مواد رابطة ، ، لمعالجة مشاكل تلاشي السعة المزمنة الناشئة عن التغير الكبير في حجم السيليكون، مما أدى إلى تحسين كبير في أداء الدورة حتى على مدى آلاف الدورات . على الرغم من القيمة الوزنية الواعدة والتقدم الكبير في عمر الدورة، ركزت معظم أقطاب السيليكون التي تم إثباتها حتى الآن بشكل أساسي على السعة الوزنية ولكنها لم تقدم وعدًا مماثلًا في سعتها الحجمية لأن تصميمات الأقطاب الحالية تعتمد على مساحة فارغة محددة مسبقًا لاستيعاب تمدد حجم السيليكون. في العديد من تطبيقات بطاريات الليثيوم أيون، بما في ذلك الإلكترونيات المحمولة، ومع ذلك، فإن كثافة الطاقة الحجمية هي معلمة حاسمة في تحديد أداء البطارية. جنبًا إلى جنب مع عمر دورة أقل نسبيًا، تعد كثافة الطاقة الحجمية الضعيفة حاليًا عقبة رئيسية أمام تطبيق أقطاب السيليكون في الخلايا التجارية. لتلبية هذا الطلب الحاسم، يجب إعادة النظر في تكنولوجيا أقطاب السيليكون بتصميمات أقطاب مختلفة توفر أداء دورة مستقرًا مع تقليل حجم القطب الكهربائي. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 11 على الرغم من توفر مجموعة متنوعة من أشكال السيليكون ومركباتها مع مواد موصلة أخرى حاليًا، إلا أن الحل الفوري للتصنيع الفعلي الذي يتطلب مراقبة جودة عالية المعايير، فإن التركيب السهل والقابل للتطوير لمكونات السيليكون النشطة أمر بالغ الأهمية. من منظور التطبيق العملي، من بين عدد كبير من المرشحين المناسبين، فإن استخدام جزيئات السيليكون النانوية التجارية (NPs) مع طلاء سطحي موصل بسيط وفعال سيكون مرغوبًا فيه للغاية. تم فحص العديد من المواد الموصلة بما في ذلك الكربون غير المتبلور (AC) كمواد طلاء لأقطاب السيليكون النانوية (NPs) ، ، . ومع ذلك، يفشل معظمها في توفير أداء دورة طويل الأمد مستقر لأن مواد الطلاء المطبقة غير قادرة على استيعاب تمدد حجم السيليكون وتتصدع نتيجة لذلك على مدى الدورات المتكررة. 8 20 21 في محاولة لمعالجة قيود طلاءات الكربون الموصل السابقة وتحقيق أداء دورة جيد مع كثافة طاقة حجمية أعلى بكثير، في هذه الدراسة، نعتمد الجرافين متعدد الطبقات الذي ينمو مباشرة على سطح السيليكون كمادة طلاء. توفر الطبيعة الطبقية ثنائية الأبعاد للجرافين تشغيلًا فريدًا وفعالًا لأقطاب السيليكون نظرًا لأن الجرافين متعدد الطبقات يمكنه استيعاب تمدد حجم السيليكون عبر عملية انزلاق بين الطبقات المتجاورة دون الحاجة إلى توفير مساحة فارغة في القطب الكهربائي المصنوع. أيضًا، تُظهر حبة السيليكون النانوية المغطاة بالجرافين المربوطة بنسبة 12.8 سي سم -1 عند محتوى جرافين هامشي قدره 1٪ بالوزن من خلال شبكة نفاذية عالية. تحقيقًا لهذه الغاية، نتغلب على تحدي نمو الجرافين مباشرة على أسطح السيليكون دون تكوين كربيد السيليكون (SiC) من خلال تطوير عملية ترسيب بخار كيميائي (CVD) تتضمن مؤكسدًا لطيفًا. تكوين كربيد السيليكون مميت في عمليات أقطاب السيليكون لأنه عازل كهربائي بخصائص عيب ضعيفة. علاوة على ذلك، فإن كربيد السيليكون غير نشط في التفاعل مع أيونات الليثيوم وبالتالي يعيق انتشار أيونات الليثيوم إلى طور السيليكون. بمساعدة عملية انزلاق طبقة الجرافين البينية وزيادة التوصيل، تصل جزيئات السيليكون النانوية المغطاة بالجرافين إلى سعة حجمية تبلغ 2500 مللي أمبير ساعة سم -3 (مقارنة بـ 550 مللي أمبير ساعة سم -3 من الجرافيت التجاري)، وهي أعلى قيمة تم الإبلاغ عنها حتى الآن لأي أقطاب بطاريات الليثيوم أيون مع إظهار أداء دورة ومعدل ممتاز. مسبقًا النتائج نمو الجرافين الخالي من كربيد السيليكون على السيليكون ثبت أن النمو المباشر للجرافين عالي الجودة على السيليكون عبر عملية الترسيب بالبخار الكيميائي (CVD) صعب لأن ظروف تخليق الجرافين النموذجية تتطلب جوًا مختزلًا يميل إلى إزالة طبقة أكسيد السيليكون الأصلية من سطح السيليكون، ثم يدفع تفاعلًا بين السيليكون وسلائف الكربون المتحللة لتشكيل كربيد السيليكون . نهجنا الأولي باستخدام الميثان (CH4) كسليفة كربون مختلطة بالهيدروجين (H2) لم يتمكن بالفعل من تحقيق نمو الجرافين على جزيئات السيليكون النانوية (NPs) (الشكل التكميلي 1)، مما أنتج فقط β-SiC (الشكل التكميلي 2). للتغلب على هذا القيد، قمنا بتضمين ثاني أكسيد الكربون (CO2)، وهو مؤكسد لطيف، في عملية الترسيب بالبخار الكيميائي (CVD) جنبًا إلى جنب مع الميثان (CH4) (المراجع ، ). يسمح تضمين ثاني أكسيد الكربون بتجنب تكوين كربيد السيليكون وتقليل درجة حرارة النمو مقارنة بنمو الجرافين المعروف على السطح . في تجربتنا، عند 900 درجة مئوية، كان نمو الجرافين غير مكتمل أو غير متجانس (الشكل التكميلي 3)، في حين أن نمو الجرافين عند 1100 درجة مئوية أنتج طبقات أكسيد على سطح السيليكون سميكة جدًا لانتشار أيونات الليثيوم بشكل فعال (الشكل التكميلي 4). عند درجة حرارة متوسطة تبلغ 1000 درجة مئوية، تم تشكيل 2-10 طبقات من الجرافين كما هو موضح في صور المجهر الإلكتروني النافذ (TEM) (الشكل 1أ، ب) والتي تعرض بوضوح الهيكل الطبقي وكذلك مسافة بين الطبقات تقترب من 3.4 أنجستروم (الشكل 1ب، الملحق). يشير الفحص الدقيق إلى أن الطبقات الفردية مرتبطة مباشرة بسطح جسيم السيليكون عند نهاياتها (السهام الحمراء في الشكل 1ج) وتقع بشكل موازٍ لسطح السيليكون. يمكن لهذه الطبقات الجرافينية المرتبة جيدًا الحفاظ على هيكلها الطبقي المتراص حتى أثناء الليثيوم عبر عملية انزلاق (الشكل 1د)، مما يوفر وسيلة أنيقة لاستيعاب تمدد حجم السيليكون. تم محاولة نمو الجرافين على أسطح ثاني أكسيد السيليكون (SiO2) باستخدام الميثان (CH4) والهيدروجين (H2) (المراجع ، ). ومع ذلك، كان نمو الجرافين في تلك العمليات غير فعال للغاية أو لم يتجنب تكوين كربيد السيليكون. يُعزى النمو غير الفعال إلى مواقع تحفيز غير كافية على سطح SiO2. على النقيض من ذلك، في عمليتنا، يولد إضافة ثاني أكسيد الكربون (CO2) المزيد من المواقع التحفيزية في شكل SiO مع بعض العيوب. 22 23 24 25 23 26 27 x ( ) صورة مجهر إلكتروني نافذ بتكبير منخفض لجزيئات السيليكون النانوية المغطاة بالجرافين (Gr–Si NP). ( ) صورة مجهر إلكتروني نافذ بتكبير أعلى لنفس الجسيم النانوي المغطى بالجرافين (Gr–Si NP) من الصندوق الأبيض في ( ). (الملحقات) ملفات التعريف الخطية من الصندوقين الأحمرين تشير إلى أن المسافة بين الطبقات بين طبقات الجرافين تبلغ حوالي 3.4 أنجستروم، بما يتوافق جيدًا مع طبقات الجرافين النموذجية القائمة على تفاعل فان دير فالس. ( ) صورة مجهر إلكتروني نافذ بتكبير عالٍ تصور الأصول (السهام الحمراء) التي تنمو منها طبقات الجرافين الفردية. ( ) توضيح تخطيطي يوضح عملية انزلاق طبقات طلاء الجرافين التي يمكنها تخفيف تمدد حجم السيليكون. أ ب أ ج د تم التحقق من النمو الخالي من كربيد السيليكون على نطاق واسع وعلى نطاق الجسيمات الفردية. تظهر ملفات تعريف مطياف الأشعة السينية الإلكترونية في نطاق 2 للسيليكون (الشكل 2أ) وكذلك أطياف حيود الأشعة السينية (XRD) (الشكل التكميلي 2) عدم وجود قمم تتوافق مع كربيد السيليكون للسيليكون المغطى بالجرافين (Gr–Si)، والسيليكون المغطى بالكربون غير المتبلور (AC–Si)، والسيليكون النقي، على عكس عينة تحكم (SiC–Si) تم تصنيعها عبر مسار خالٍ من ثاني أكسيد الكربون باستخدام الميثان (CH4) والهيدروجين (H2). من ناحية أخرى، أظهر التصوير المجهري الإلكتروني الماسح (STEM) باستخدام التشتت المظلل بزاوية عالية أن جسيمات السيليكون النانوية لها بنية قشرة-لب مع نواة أفتح وقشرة أغمق نسبيًا تُعزى إلى لب السيليكون وطلاء أكسيد (الشكل 2ب). لم تُظهر أطياف طيف فقدان الطاقة الإلكتروني (EELS) (الشكل 2ج) التي تم الحصول عليها من نقاط متعددة عبر الجسيم النانوي أي إشارات تعكس تكوين كربيد السيليكون، مما يؤكد النمو الخالي من كربيد السيليكون في عملية النمو الحالية. تم أيضًا التحقق من الوجود المستمر لطبقات سطح SiO2 بواسطة حيود الأشعة السينية (XRD) (الشكل التكميلي 2) وطيف فقدان الطاقة الإلكتروني (EELS) (الشكل 2ب، ج) خصائص. p 28 ( ) أطياف مطياف الأشعة السينية الإلكترونية في نطاق 2 للـ Si لـ Gr–Si، و SiC–Si، و AC–Si، و Si النقي. ( ) صورة مجهر إلكتروني نافذ ماسح لجسيم نانوي من السيليكون المغطى بالجرافين (Gr–Si NP). ( ) أطياف EELS للنقاط المسماة في ( ). أ p ب ج ب تحليل المجهر الإلكتروني النافذ في الموقع ( ) In situ نتحول الآن إلى استخدام Gr–Si كمادة قطب كهربائي في بطاريات الليثيوم أيون (LIBs). تمت مراقبة الليثيوم لجزيئات السيليكون النانوية المغطاة بالجرافين (Gr–Si NPs) (1٪ بالوزن من الجرافين) في الوقت الفعلي أثناء تمدد حجمها باستخدام تحليل المجهر الإلكتروني النافذ في الموقع ( ) ، ، ، . في التجربة الفعلية، تم وضع بعض جسيمات Gr–Si على قطب كهربائي ثابت بالذهب (Au). تم وضع قطب كهربائي ثانٍ، ولكنه متحرك، بطرف من الليثيوم/أكسيد الليثيوم (Li/LiO2) ليلامس جسيمات Gr–Si NPs لتلييثها (الشكل 3أ). بمجرد حدوث الاتصال بالقطب الكهربائي الثاني، بدأت الجسيمات في الانتفاخ (الشكل 3ب). يمكن رؤية تفاصيل أكبر حول هذه العملية في (الشكل التكميلي 5) و (الأفلام التكميلية 1-3). لوحظ نوعان من هياكل التمدد، وهما الجسيمات غير المعيبة والجسيمات المعيبة كما هو موضح في (الشكل 3ب، ج). في الحالات التي يكون فيها الجرافين يغلف الجسيم بالكامل ولا يحتوي على عيوب واضحة (الشكل 3د)، زاد القطر بنسبة ~ 30٪ (تمدد حجمي بنسبة 220٪). في نهاية الليثيوم، زادت مسافة بين الطبقات لطبقات الجرافين إلى 3.8 أنجستروم، مما يعكس إقحام الليثيوم ، وتم الحفاظ على الخاصية الطبقية لطلاء الجرافيت حول الجسيم النانوي (الشكل 3د)، مما يشير إلى عملية انزلاق بين الطبقات كما هو موضح في (الشكل 3ج). في الحالات التي توجد فيها منطقة معيبة (انظر الدائرة الخضراء في الشكل 3أ)، عند التورم، يتفتت الجسيم الداخلي وينفجر عبر العيب (الشكل 3هـ). من غير المحتمل أن تكون سلوكيات الكسر الملحوظة ناتجة عن حجم الجسيم، حيث أن جسيمًا مغلفًا أكبر من الجسيم المكسور في (الشكل 3) لم ينكسر (انظر الجسيمات المشار إليها في 0 و 40 ثانية في الشكل التكميلي 5). بالإضافة إلى ذلك، يشير ملاحظة حديثة إلى أنه إذا لم يكن مغلفًا، حتى الجسيمات السيليكونية الأصغر ( 200 نانومتر (مرجع ). in situ 29 30 31 32 33 34 35 ( ) جسيمات السيليكون النانوية المغطاة بالجرافين (Gr–Si NPs) متصلة بسطح سلك Au وقطب كهربائي ثانٍ من Li/LiO2. ( ) نفس الجسيمات النانوية المغطاة بالجرافين (Gr–Si NPs) بعد الليثيوم. ( ) ملخص تخطيطي لجسيمات السيليكون النانوية المغطاة بالجرافين (Gr–Si NPs) بعد الليثيوم لكل من التغليف غير المعيب والمعيب للجرافين. ( ، ) صور مجهر إلكتروني نافذ مقربة لـ ( ) الجسيم غير المعيب (المحاط بدائرة حمراء في ( ) و ( )) و ( ) الجسيم المعيب (المحاط بدائرة زرقاء في ( ) و ( )). تؤكد أطياف EELS في كلتا الحالتين حدوث الليثيوم. تُظهر ملفات التعريف الخطية من الصناديق الحمراء في كلتا الحالتين زيادة مسافات بين الطبقات تبلغ حوالي 3.8 أنجستروم، مما يعكس الليثيوم في مساحة الطبقات البينية للجرافين. أ ب ج د هـ د أ ب هـ أ ب يتحقق تحليل EELS المحلي أثناء الليثيوم من ليثيوم السيليكون في كلتا الحالتين عبر حافة K لـ Li الباهتة بالقرب من 55 إلكترون فولت وكذلك حافة L للسيليكون عند 100 إلكترون فولت (الشكل 3د، هـ؛ مرجع ). تُعزى الطبقة المعروضة على سطح الجرافين في (الشكل 3د) إلى بقايا Li/Li2O. في جوهره، تحافظ طبقات الجرافين على التكامل مع السيليكون عبر جذورها المرتبطة كيميائيًا بسطح السيليكون، وفي الوقت نفسه، تسمح عملية الانزلاق لطلاء الجرافين قليل الطبقات باستيعاب تمدد حجم السيليكون. في تجربة مجهر إلكتروني نافذ منفصلة بعد الاختبار ( ) مع قطب بطارية الليثيوم أيون (LIB) من Gr–Si، لوحظ أن متوسط عدد طبقات الجرافين المقاسة في مواقع مختلفة انخفض من 9.4 إلى 5.6 طبقات (الشكل التكميلي 6) بعد الليثيوم الأول، مما يعيد التأكيد على عملية الانزلاق البيني. 36 ex situ تفرض عملية تغليف الجرافين وانزلاق الطبقات الداخلية قوة تثبيت تساعد في الحفاظ على سلامة جسيم السيليكون أثناء تمدد الحجم. ومع ذلك، لا يبدو أن آلية التثبيت هذه تؤثر على انتشار الليثيوم، حيث تم تحقيق سعات محددة جيدة في القياسات الكهروكيميائية. تجدر الإشارة أيضًا إلى أن تمدد حجم الجسيمات كان، بشكل عام، منتظمًا في جميع الاتجاهات الشعاعية على الرغم من أن نقطة الاتصال مع القطب الكهربائي الثاني كانت موضعية للغاية. يسلط هذا الضوء على ميل طبقات الجرافين لانتشار متجانس لأيونات الليثيوم في لب السيليكون (انظر الخطوط المتقطعة الحمراء والبرتقالية في الشكل 3أ، ب). يشير التحليل في الموقع ( ) أيضًا إلى أن انتشار الليثيوم عبر طبقات الجرافين سريع جدًا، بما يتماشى مع الدراسات السابقة ، . كما تجدر الإشارة إلى أن تأثير التثبيت الملحوظ يأتي بشكل أساسي من طبقات طلاء الجرافين وليس من طبقات الأكسيد الأصلية للسطح لأن طبقات الأكسيد السطحية رقيقة جدًا بحيث لا يكون لها تأثير كبير. لوحظ تأثير التثبيت القائم على طبقات الأكسيد السطحية فقط عندما يكون للسيليكون هياكل مجوفة ، أو عندما تكون طبقات الأكسيد سميكة جدًا . in situ 30 37 7 11 38 قياسات الموصلية والكيمياء الكهربائية بعد نمو الجرافين، تصبح موصلية تجميع المواد النشطة محسنة بشكل ملحوظ. عند تكويره في مسحوق، أظهر السيليكون النقي موصلية منخفضة أقل من 10-7 سي سم -1، في حين أن إضافة 1٪ بالوزن فقط من الجرافين زادت الموصلية بشكل كبير إلى 12.8 سي سم -1 (الشكل 4أ). يُعزى هذا التحسين إلى سلوك نفاذية ممتاز لطبقات طلاء الجرافين بطريقة تعزز فيها شبكات الجرافين المتراصة جيدًا شبكة موصلة جيدة الترابط (الشكل التكميلي 7)، ويتماشى أيضًا مع مركبات الجرافين والبوليمر السابقة . زادت الموصلية أكثر إلى 38.3 سي سم -1 لمحتوى جرافين يصل إلى 5٪ بالوزن. 39 ( ) موصلية الأقراص المكبوسة لـ Gr–Si، و AC–Si، و Super P–Si عند محتويات كربون مختلفة. ( ) ملفات تعريف الليثيوم/إزالة الليثيوم الأولى. سمك الأقطاب الكهربائية لـ 5٪ بالوزن-Gr–Si، و 1٪ بالوزن-Gr–Si، و 2٪ بالوزن-AC–Si، و Si النقي (Super P 1٪ بالوزن) هي 4.5، 5.0، 8.3، و 12.3 ميكرومتر، على التوالي. ( ) احتفاظ سعة الليثيوم (دائرة مملوءة) وإزالة الليثيوم (دائرة مفتوحة) لنفس العينات الأربع. تم مسح الجهد في نافذة جهد بين 0.01 و 1.5 فولت عند 0.5 درجة مئوية. ( ) صور SEM من الأعلى: قطب 5٪ بالوزن-Gr–Si (يسار) قبل و (وسط) بعد 200 دورة و (يمين) قطب 2٪ بالوزن-AC–Si بعد 200 دورة. ( ) صورة مجهر إلكتروني نافذ عالي التكبير لـ 5٪ بالوزن-Gr–Si بعد 200 دورة تم الحصول عليها من الصندوق الأبيض في صورة المجهر الإلكتروني النافذ منخفض التكبير (الملحق العلوي). الملحق الأوسط: حيود منطقة مختارة يظهر الطبيعة غير المتبلورة للسيليكون بعد التدوير. الملحق السفلي: ملف تعريفي خطي من طبقات الجرافين في الصندوق الأحمر يعرض مسافة بين الطبقات تبلغ 3.8 أنجستروم. ( ) قدرة المعدل لـ 5٪ بالوزن-Gr–Si بسعات مساحية أولية مختلفة (3.0، 2.0، و 1.0 مللي أمبير ساعة سم -2). أ ب ج د هـ و تم فحص الأداء الكهروكيميائي لجزيئات السيليكون النانوية المغطاة بالجرافين (Gr–Si NPs) عن طريق تحضير خلايا نصفية من نوع العملة حيث يعمل معدن الليثيوم كقطب كهربائي مرجعي ومضاد. للمقارنة، بالإضافة إلى Gr–Si بمحتويات جرافين مختلفة، تم أيضًا فحص AC–Si و Si النقي. تم التحكم في محتوى الجرافين عن طريق وقت النمو بينما تم تثبيت درجة حرارة النمو عند 1000 درجة مئوية. أظهرت جميع العينات مراحل لليثيوم وإزالة الليثيوم المميزة عند 0.1 و 0.4 فولت مقابل Li/Li+ على التوالي، في الدورة الأولى (الشكل 4ب؛ 0.05 درجة مئوية، 1 درجة مئوية = 2000 مللي أمبير ساعة جرام -1، 0.01-1.5 فولت مقابل Li/Li+). أظهرت 5٪ بالوزن-Gr–Si، و 1٪ بالوزن-Gr–Si، و 2٪ بالوزن-AC–Si، و Si النقي سعات ليثيوم/إزالة ليثيوم تبلغ 2820/2340، 2341/1629، 3143/1160، و 3632/741 مللي أمبير ساعة جرام -1، على التوالي، عند حساب السيليكون والجرافين المطلي، مما أدى إلى كفاءات أولية للشحن (CEs) تبلغ 83٪، 69٪، 37٪، و 20٪. تُعزى السعة العكسية المنخفضة وكفاءات الشحن الأولية لـ AC–Si إلى عيوب طبقات الكربون غير المتبلورة التي تحبس أيونات الليثيوم. يحدث طلاء الجرافين فرقًا جذريًا في أداء الدورة (الشكل 4ج و الشكل التكميلي 8). للمقارنة العادلة بين العينات، قمنا أولاً بتعيين السعة المساحية عند 1 مللي أمبير ساعة سم -2. تحت هذا القيد، كان تلاشي السعة لكل من 2٪ بالوزن-AC–Si و Si النقي كبيرًا حتى في الدورات المبكرة، مما يشير إلى أن طلاء AC البسيط غير فعال على الإطلاق. بين عينتي Gr–Si، أظهرت 5٪ بالوزن-Gr–Si أداءً أفضل من 1٪ بالوزن-Gr–Si (85٪ مقابل 70٪ احتفاظ بعد 200 دورة)، مما يشير إلى أنه اعتمادًا على السعة المساحية، يصبح محتوى الجرافين أمرًا بالغ الأهمية. يمكن تفسير انخفاض الاحتفاظ لـ 1٪ بالوزن-Gr–Si بسبب تكون عيوب عرضية كما لوحظ في تحقيقنا في المجهر الإلكتروني النافذ في الموقع ( ) in situ