
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Müəlliflər: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 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 Xülasə Silikon, misilsiz çəki tutumu sayəsində növbəti nəsil litium-ion batareyalarının anodları üçün aktiv material kimi nəzərəçarpan diqqət cəlb edir. Bununla belə, silikonun doldurma-boşaltma dövrləri zamanı böyük həcm dəyişikliyi həcmi enerji sıxlığı və dövriyyə müddəti baxımından rəqabət qabiliyyətini zəiflədir. Burada biz silikon nanohissəciklər üzərində silikon karbid əmələ gəlmədən birbaşa qrafen böyüməsini bildiririk. Silikon səthinə lövbərlənmiş qrafen təbəqələri qonşu qrafen təbəqələri arasında sürüşmə prosesi vasitəsilə silikonun həcm genişlənməsini təmin edir. Kommersiya litium kobalt oksidi katodu ilə cütləşdirildikdə, silikon karbidsiz qrafen örtüyü tam hüceyrənin müvafiq olaraq ilk və 200-cü dövrdə 972 və 700 Vt·saat/l həcmi enerji sıxlığına çatmasına imkan verir ki, bu da hazırkı kommersiya litium-ion batareyalarından 1,8 və 1,5 dəfə yüksəkdir. Bu müşahidə, qrafenin ikiölçülü laylı quruluşunun və silikonla silikon karbid olmadan inteqrasiyasının silikon anodlarını kommersiya baxımından məqbul texnologiyaya qədər inkişaf etdirmək üçün bir prototip kimi xidmət edə biləcəyini göstərir. Giriş Silikonun (Si) nəzəri çəki tutumu demək olar ki, 4000 milliamper-saat/qram-a çatır. Bu misilsiz dəyər, batareya icmasını əhəmiyyətli tədqiqat səyləri sərf etməyə stimullaşdırdı, çünki yüksək çəki tutumu, litium-ion batareyalarının (LIB) enerji sıxlığını əhəmiyyətli dərəcədə artırmağa imkan verir və beləliklə, gələcək LIB tətbiqlərini, o cümlədən elektrik nəqliyyat vasitələrini reallığa çevirir , , , , . Son on ildə, Si-nin böyük həcm dəyişikliyindən qaynaqlanan, minlərlə dövr üzrə əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşdırılmış dövriyyə performansı ilə nəticələnən, tutumun kəskinləşməsi problemlərini həll etmək üçün müxtəlif qabaqcıl elektrod strukturları , , , , , , , , , ,  və bağlayıcı dizaynları , ,  inkişaf etdirilmişdir. Cəlbedici çəki dəyərinə və dövriyyə müddətində əhəmiyyətli irəliləyişə baxmayaraq, bu günə qədər nümayiş etdirilən Si anodlarının əksəriyyəti əsasən çəki tutumuna diqqət yetirmiş, lakin həcmi tutumlarında oxşar və'd verməmişdir, çünki mövcud elektrod dizaynları Si-nin həcm genişlənməsini ödəmək üçün əvvəlcədən müəyyən edilmiş boş sahəyə etibar edir. Portativ elektronika da daxil olmaqla, bir çox LIB tətbiqlərində, həcmi enerji sıxlığı batareyanın performansını müəyyən edən kritik parametrdir. Nisbətən aşağı dövriyyə müddəti ilə birlikdə, zəif həcmi enerji sıxlığı hazırda Si anodlarının kommersiya hüceyrələrində tətbiq edilməsində əsas maneədir. Bu kritik tələbi ödəmək üçün, Si anod texnologiyasının, elektrod həcminin minimuma endirilməsi ilə sabit dövriyyə performansı təmin edən fərqli elektrod dizaynları ilə yenidən nəzərdən keçirilməsi lazımdır. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Hal-hazırda müxtəlif Si morfologiyaları və digər keçirici materiallarla kompozitləri mövcud olsa da, yüksək standartlı keyfiyyətə nəzarət tələb edən real istehsal üçün təcili həll yolu, aktiv Si komponentlərinin asan və miqyaslı sintezi üçün kritikdir. Praktik tətbiq nöqteyi-nəzərindən, çoxsaylı uyğun namizədlər arasında, sadə və səmərəli keçirici səthi örtüyə malik kommersiya Si nanohissəciklərindən (NP) istifadə etmək çox arzuolunandır. Amorf karbon (AC) daxil olmaqla müxtəlif keçirici materiallar Si NP anodları üçün örtük materialları kimi tədqiq edilmişdir , , . Bununla belə, onların əksəriyyəti tətbiq edilmiş örtük materialları Si-nin həcm genişlənməsini yerləşdirə bilmədiyi və nəticədə təkrar dövrlər zamanı qırıldığı üçün sabit uzunmüddətli dövriyyə performansı təmin edə bilmir. 8 20 21 Əvvəlki keçirici örtüklərin məhdudiyyətlərini aradan qaldırmaq və əhəmiyyətli dərəcədə daha yüksək həcmi enerji sıxlığı ilə yaxşı dövriyyə performansı əldə etmək məqsədi ilə, bu tədqiqatda, örtük materialı kimi Si səthi üzərində birbaşa böyüdülmüş çoxlaylı qrafendən istifadə edirik. Qrafenin ikiölçülü (2D) laylı xarakteri, Si anodlarının unikal və səmərəli işləməsini təmin edir, çünki çoxlaylı qrafen, əvvəlcədən hazırlanmış elektrodda əvvəlcədən boş yer tələb etmədən qonşu laylar arasında sürüşmə prosesi vasitəsilə Si həcm genişlənməsini yerləşdirə bilər. Həmçinin, qrafen örtüklü Si NP peleti, 1 wt% qrafen məzmunu ilə 12.8 S sm−1 göstərir, bu da yüksək perkolyasiya şəbəkəsi vasitəsilə əldə edilir. Bu məqsədlə, mild oksidantı əhatə edən kimyəvi buxar çökeltmə (CVD) prosesini inkişaf etdirərək, SiC əmələ gəlmədən birbaşa Si səthlərində qrafen böyütmə çətinliyini aradan qaldırırıq. SiC əmələ gəlməsi Si anod əməliyyatlarında ölümcüldür, çünki SiC elektrik izolyatorudur və zəif qüsurlu xüsusiyyətlərə malikdir. Bundan əlavə, SiC Li ionları ilə reaksiyaya girmir və nəticədə Si fazasına Li ionlarının nüfuzunu maneə törədir. Qrafen interlayar sürüşmə prosesi və yaxşılaşdırılmış keçiricilik sayəsində, qrafen örtüklü Si NP-ləri 2500 milliamper-saat/sm−3 həcmi tutumuna (hazırkı kommersiya qrafitindən 550 milliamper-saat/sm−3-ə qarşı) çatır ki, bu da indiyə qədər bildirilmiş hər hansı bir LIB anodları arasında ən yüksək dəyərdir, eyni zamanda mükəmməl dövriyyə və sürət performansı nümayiş etdirir. Nəticələr SiC-siz qrafen Si üzərində böyüməsi CVD prosesi vasitəsilə Si üzərində yüksək keyfiyyətli qrafenin birbaşa böyüməsi sübut edilmişdir , çünki tipik qrafen sintez şəraitləri, Si səthindən yerli Si oksid təbəqəsini soyub çıxaran və sonra Si ilə parçalanmış karbon precursorları arasında SiC əmələ gətirən bir reduksiya atmosferini tələb edir . Metanı (CH4) H2 ilə qarışdırılmış karbon precursoru kimi istifadə edən ilkin yanaşmamız, Si NP-ləri üzərində qrafen böyüməsini əldə edə bilmədi ( ), bununla da yalnız β-SiC əmələ gəldi ( ). Bu məhdudiyyəti aradan qaldırmaq üçün, CH4 (ref.  , ) ilə birlikdə CVD prosesinə mild oksidant olan karbon dioksidi (CO2) əlavə etdik. CO2-nin daxil edilməsi, SiC əmələ gəlməsini istisna edir və həmçinin tanınmış qrafen böyüməsinə nisbətən böyümə temperaturunu aşağı salır . Təcrübəmizdə, 900 °C-də, qrafen böyüməsi natamam və ya qeyri-bircins idi ( ), halbuki 1100 °C-də qrafen böyüməsi Si səthində çox qalın oksid təbəqələri əmələ gətirdi ki, bu da effektiv Li ion nüfuzu üçün çox qalın idi ( ). 1000 °C-dəki aralıq temperaturda, transmisiya elektron mikroskopu (TEM) şəkillərində göstərildiyi kimi 2–10 qat qrafen əmələ gəldi ( ) ki, bu da laylı quruluşu və təxminən 3.4 Å olan laylararası məsafəni aydın şəkildə göstərir ( , daxili). Daha yaxından baxış, fərdi layların onların uclarından (Şəkil 1c-dəki qırmızı oxlar) Si hissəciyinin səthinə birbaşa lövbərləndiyini və Si səthinə paralel yerləşdiyini göstərir. Bu yaxşı hizalanmış qrafen layları, sürüşmə prosesi (Şəkil 1d) vasitəsilə litiumlama zamanı belə öz laylı yığma quruluşunu qoruya bilər, beləliklə Si-nin həcm genişlənməsini təmin etmək üçün zərif bir üsul təmin edir. Sioksid (SiO2) səthlərində CH4 və H2 istifadə edərək qrafen böyütmə cəhdləri edilmişdir (ref.  , ). Lakin, bu proseslərdə qrafen böyüməsi çox səmərəsiz idi və ya SiC əmələ gəlməsindən qaçınmadı. Səmərəsiz böyümə, SiO2 səthində kifayət qədər katalitik nöqtələrə aid edilir. Əksinə, bizim prosesimizdə, CO2 əlavəsi bəzi qüsurlarla SiO  formasında daha çox katalitik nöqtələr yaradır. 22 23 Əlavə Şəkil 1 Əlavə Şəkil 2 24 25 23 Əlavə Şəkil 3 Əlavə Şəkil 4 Şəkil 1a,b Şəkil 1b 26 27 x   ( ) Gr–Si NP-nin aşağı böyütməli TEM şəkli. ( ) Eyni Gr–Si NP-nin Şəkil a-dakı ağ qutudan daha yüksək böyütməli TEM şəkli. ( Daxil edilmiş hissələr) İki qırmızı qutudan alınan xətt profilləri, qrafen layları arasındakı laylararası məsafənin təxminən 3.4 Å olduğunu göstərir ki, bu da Van der Waals qarşılıqlı təsirinə əsaslanan tipik qrafen laylarının məsafəsinə yaxşı uyğundur. ( ) Fərdi qrafen laylarının böyüməyə başladığı mənbələri (qırmızı oxlar) vizuallaşdıran yüksək böyütməli TEM şəkli. ( ) Qrafen örtük laylarının Si genişlənməsini tamponlamağa qadir olan sürüşmə prosesini göstərən sxematik təsvir. a b c d SiC-siz qrafen böyüməsi, həm toplu miqyasda, həm də tək hissəcik miqyasında analizlərlə təsdiqləndi. Si 2p zonasındakı rentgen fotoelektron spektroskopiya profilləri ( ), həmçinin rentgen diffraksiya (XRD) spektrləri ( ), qrafen örtüklü Si (Gr–Si), AC örtüklü Si (AC–Si) və orijinal Si üçün SiC-yə uyğun heç bir pik göstərmir, CH4 və H2 istifadə edərək CO2-siz marşrutla sintez edilmiş SiC–Si nəzarət nümunəsindən fərqli olaraq. Digər tərəfdən, yüksək bucaqlı qaranlıq sahədən istifadə edərək skan edən TEM görüntüsü, Si NP-nin daha parlaq nüvə və nisbətən daha tünd qabığı olan bir çəkilmiş qabığın quruluşuna sahib olduğunu göstərdi ki, bu da Si nüvəsi və oksid örtüyü ilə əlaqələndirilir ( ). NP üzərindəki bir çox nöqtələrdən əldə edilən elektron enerjisi itkisi spektroskopiyası (EELS) spektrləri ( ), cari böyümə prosesində SiC-siz böyüməni təsdiqləyərək, SiC əmələ gəlməsinə istinad edən heç bir siqnal göstərmədi . Həmçinin, 108 eV-da SiO2 siqnalları 1 və 2-ci nöqtələrdə digər mərkəzi nöqtələrdən daha güclü aşkarlandı, bu da SiO2 səthinin qrafen böyüməsi üçün katalitik nöqtələr kimi xidmət etdiyini göstərir. SiO2 səthi laylarının davamlı mövcudluğu XRD ( ) və EELS ( ) xarakterizasiyası ilə də təsdiqləndi. Şəkil 2a Əlavə Şəkil 2 Şəkil 2b Şəkil 2c 28 Əlavə Şəkil 2 Şəkil 2b,c   ( ) Gr–Si, SiC–Si, AC–Si və orijinal Si üçün Si 2p zonasında rentgen fotoelektron spektroskopiya spektrləri. ( ) Bir Gr–Si NP-nin skan edilən TEM şəkli. ( ) b-də göstərilən nöqtələr üçün EELS spektrləri. a b c Yerində TEM analizi İndi Gr–Si-nin LIB-lərdə anod materialı kimi istifadəsinə baxırıq. Gr–Si NP-lərin (1 wt% qrafen) litiumlanması, yerində TEM analizi , , ,  vasitəsilə həcmlərinin genişlənməsi zamanı real vaxtda izlənildi. Əsl təcrübədə, bəzi Gr–Si hissəcikləri qızıl (Au) ilə bərkidilmiş elektrod üzərinə yerləşdirildi. İkinci, lakin hərəkətli bir elektrod, ucunda Li/LiO2 ilə, onları litiumlamaq üçün Gr–Si NP-lərinə toxunacaq şəkildə yerləşdirildi ( ). İkinci elektrodla təmas yarandıqdan sonra, hissəciklər şişməyə başladı ( ). Bu prosesin daha ətraflı məlumatları   və  -də görünə bilər. Genişlənən strukturların iki növü müşahidə edildi, yəni qüsursuz hissəciklər və qüsurlu hissəciklər, Şəkil 3b, c-də vurğulanmışdır. Qrafenin hissəciyi tamamilə əhatə etdiyi və heç bir aşkar qüsuru olmayan hallarda ( ), diametr təxminən 30% (220% həcm genişlənməsi) artdı. Litiumlamanın sonunda, qrafen laylarının laylararası məsafəsi Li interkalasiyasını  əks etdirərək 3.8 Å-ə qədər artdı və qrafen örtüyünün laylı xarakteristikası NP ətrafında qorundu ( ), bu da Şəkil 3c-də təsvir olunan sürüşmə prosesini göstərir. Qüsurlu bir bölgənin mövcud olduğu hallarda (Şəkil 3a-da yaşıl dairəyə baxın), şişmə zamanı daxili hissəcik parçalanır və qüsurdan keçir ( ). Müşahidə edilən fərqli qırılma davranışları hissəcik ölçüsündən qaynaqlanması ehtimalı azdır, çünki Şəkil 3-dəki qırılan hissəcikdən daha böyük əhatə olunmuş hissəcik qırılmadı (Şəkil 3-də 0 və 40 s-də göstərilən hissəciklərə baxın).  ). Həmçinin, son müşahidələr  göstərir ki, əhatə olunmasa belə, daha kiçik Si hissəcikləri (<50 nm) hissəciklər daxilində Li konsentrasiyası qradiyentinin əhəmiyyətli stress yaratması səbəbindən qırıla bilər. Əslində, Si hissəciyinin qırılmasının kritik ölçüsü hala bağlıdır və həcm genişlənməsi zamanı yaranan stressin nə qədər səmərəli buraxıla biləcəyi ilə əlaqəlidir. Kritik ölçü 200 nm-dən çox ( ) ola bilər. 29 30 31 32 Şəkil 3a Şəkil 3b Əlavə Şəkil 5 Əlavə Filmlər 1–3 Şəkil 3d 33 Şəkil 3d Şəkil 3e Əlavə Şəkil 5 34 ref. 35   ( ) Au telinin səthinə yapışdırılmış Gr–Si NP-lər və ikinci bir Li/LiO2 elektrodu. ( ) Litiumlamadan sonra həmin Gr–Si NP-lər. ( ) Həm qüsursuz, həm də qüsurlu qrafen əhatəli litiumlanmış Gr–Si NP-lərin sxematik xülasəsi. ( , ) Qüsursuz hissəcik (  və  -də qırmızı xətlə dairəyə alınmış) və qüsurlu hissəcik (  və  -də mavi xətlə dairəyə alınmış) üçün yaxın TEM şəkilləri. Hər iki halda EELS spektrləri litiumlamanı təsdiqləyir. Hər iki haldakı qırmızı qutulardan alınan xətt profilləri, litiumlamanı əks etdirən təxminən 3.8 Å olan laylararası məsafələrin artdığını göstərir. a b c d e a b a b Litiumlama zamanı yerli EELS analizi, həm Si-nin litiumlanmasını, həm də qrafen laylarının laylararası məsafəsinin artmasını təsdiqləyir ( ; ref.  ). Şəkil 3d-dəki qrafen səthində göstərilən təbəqə, Li/Li2O qalıntısına aiddir. Əslində, qrafen layları kimyəvi olaraq Si səthinə bağlanmış kökləri vasitəsilə Si ilə inteqrasiyanı qoruyur və eyni zamanda, sürüşmə prosesi, Si-nin həcm genişlənməsini təmin etmək üçün azsaylı qrafen örtüyünün yerləşməsinə imkan verir. Ayrı bir *ex situ* TEM təcrübəsində Gr–Si LIB elektrodu ilə, ilk litiumlamadan sonra qrafen laylarının orta sayı 9.4-dən 5.6 layına qədər azaldığı müşahidə edildi ( ), laylararası sürüşmə prosesini yenidən təsdiqləyir. Şəkil 3d,e 36 Əlavə Şəkil 6 Qrafen örtüyü və laylararası sürüşmə prosesi, həcm genişlənməsi zamanı Si hissəciyinin bütövlüyünü qorumağa kömək edən sıxıcı bir qüvvə tətbiq edir. Bununla belə, bu sıxıcı mexanizm Li nüfuzuna təsir etmir, çünki elektrokimyəvi ölçmələrdə yaxşı xüsusi tutumlar əldə edilir. Həmçinin qeyd etmək lazımdır ki, hissəciklərin həcm genişlənməsi, ikinci elektrodla təmas nöqtəsi olduqca lokal olsa da, ümumilikdə bütün radial istiqamətlərdə vahid idi. Bu, qrafen laylarının Si nüvəsinə homojen Li ion nüfuzu meylini vurğulayır (Şəkil 3a,b-də qırmızı və narıncı nöqtəli xətlərə baxın). Yerində analiz həmçinin göstərir ki, qrafen layları vasitəsilə Li nüfuzu əvvəlki tədqiqatlarla ,  uyğun olaraq kifayət qədər sürətlidir. Həmçinin qeyd olunur ki, müşahidə olunan sıxıcı təsir əsasən səthi yerli oksid təbəqələrindən deyil, qrafen örtük laylarından qaynaqlanır, çünki səthi oksid təbəqələri əhəmiyyətli təsir göstərmək üçün çox nazikdir. Səthi oksid təbəqələrinə əsaslanan sıxıcı təsir yalnız Si boş strukturlara ,  malik olduqda və ya oksid təbəqələri çox qalın olduqda  müşahidə edilmişdir. 30 37 7 11 38 Keçiricilik və elektrokimyəvi ölçmələr Qrafen böyüməsindən sonra, aktiv material yığımının keçiriciliyi əhəmiyyətli dərəcədə artır. Toz halında peletləndikdə, orijinal Si, <10−7 S sm−1 aşağı keçiricilik göstərirdi, halbuki 1 wt% qrafen əlavəsi belə keçiriciliyi 12.8 S sm−1-ə  qədər əhəmiyyətli dərəcədə artırdı. Bu artım, 2D qrafenin və onun yaxşı hizalanmış laylı yığmasının yaxşı əlaqəli keçirici şəbəkə yaratması ilə (Əlavə Şəkil 7) qrafen örtük laylarının mükəmməl perkolyasiya davranışı ilə əlaqələndirilir və bu da əvvəlki qrafen-polimer kompozitləri ilə uyğundur . 5 wt% qrafen məzmunu üçün keçiricilik 38.3 S sm−1-ə qədər artdı. Şəkil 4a 39

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

Bu audio hekayənin orijinal dilində hazırlanmışdır!

A Qrafen Kəşfi Elektrik Avtomobil Batareyalarını Daha Uzun Ömürlü Edə və Daha Çox Enerji Saxlaya Bilər

About Author

ŞƏRHLƏR

ETİKET ASIN

BU MƏQALƏ TƏQDİM EDİLMİŞDİR

Related Stories

How Azarus's Technology is Transforming Viewer Engagement on Stream

Optimizing Operations for Real Estate Investors - Interview with Startups of the Year Nominee, Azibo

Women in Tech: Azize Sultan Shares Her Inspiring Journey from Architecture to Tech Leadership

How Azarus's Technology is Transforming Viewer Engagement on Stream

Optimizing Operations for Real Estate Investors - Interview with Startups of the Year Nominee, Azibo

Women in Tech: Azize Sultan Shares Her Inspiring Journey from Architecture to Tech Leadership

Light-Mode

Classic

Newspaper

Minty

Dark-Mode

Neon Noir

Minty

HN StartUps