```html
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 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 Abstrakt Silikon, misilsiz çəki tutumu sayəsində növbəti nəsil litium-ion batareya anodları üçün aktiv material kimi diqqətəlayiq maraq kəsb edir. Bununla belə, silikonun şarj-disşarj tsiklləri zamanı həcminin böyük dəyişməsi onun həcmi enerji sıxlığı və tsikl ömründə rəqabət qabiliyyətini zəiflədir. Burada biz silikon karbid əmələ gəlmədən silikon nanopartikulları üzərində birbaşa qrafen böyüməsini bildiririk. Silikon səthinə bərkidilmiş qrafen təbəqələri qonşu qrafen təbəqələri arasında sürüşmə prosesi vasitəsilə silikonun həcminin genişlənməsini təmin edir. Kommersiya litium kobalt oksidi katodu ilə birləşdirildikdə, silikon karbidsiz qrafen örtük tam hüceyrənin müvafiq olaraq 972 və 700 Vt·saat/l həcmi enerji sıxlığına çatmasına imkan verir. hazırkı kommersiya litium-ion batareyalarından 1,8 və 1,5 dəfə yüksəkdir. Bu müşahidə, qrafenin ikiölçülü laylı quruluşunun və silikonla silikon karbidsiz 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 mAh·q çatır. Bu misilsiz dəyər, yüksək çəki tutumunun litium-ion batareyaların (LIB) enerji sıxlığını əhəmiyyətli dərəcədə artırmağa imkan verdiyi və bununla da elektrikli avtomobillər kimi gələcək LIB tətbiqlərini reallığa çevirdiyi üçün batareya ictimaiyyətini böyük tədqiqat səylərinə sərmayə qoymağa stimullaşdırıb , , , , . Son on ildə, Si-nin böyük həcmi dəyişməsindən yaranan xroniki tutum itkisi problemlərini həll etmək üçün müxtəlif qabaqcıl elektrod quruluşları , , , , , , , , , ,  və yapışdırıcı dizaynları , ,  hətta minlərlə tsikl boyunca əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşdırılmış tsikllik performansı təmin edən  istehsal edilmişdir. Ümidverici çəki dəyərinə və tsikl ömründə əhəmiyyətli irəliləyişə baxmayaraq, bu günə qədər nümayiş etdirilən Si anodlarının əksəriyyəti əsasən çəki tutumuna diqqət yetirmişdir, lakin həcmi tutumunda oxşar vəd verməmişdir, çünki mövcud elektrod dizaynları Si-nin həcmi genişlənməsini yerləşdirmək üçün əvvəlcədən müəyyən edilmiş boş sahəyə güvənir. Portativ elektronika daxil olmaqla, bir çox LIB tətbiqlərində, həcmi enerji sıxlığı batareya performansını müəyyən edən kritik parametrdir. Nisbətən aşağı tsikl ömrü ilə yanaşı, zəif həcmi enerji sıxlığı hazırda Si anodlarının kommersiya hüceyrələrində tətbiqinə mane olan əsas maneədir. Bu kritik tələbi ödəmək üçün, Si anod texnologiyasının elektrod həcminin minimuma endirilməsi ilə sabit tsikllik 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 11 Si morfologiyaları və digər keçirici materiallarla kompozitləri hazırda mövcud olsa da, yüksək standartlı keyfiyyətə nəzarət tələb edən faktiki istehsal üçün dərhal həll yolu, aktiv Si komponentlərinin asan və miqyaslana bilən sintezi vacibdir. Praktik tətbiq baxımından, çoxsaylı etibarlı namizədlər arasında, sadə və səmərəli keçirici səth örtüyü olan kommersiya Si nanopartikulları (NP) istifadəsi çox arzuolunandır. Amorf karbon (AC) daxil olmaqla müxtəlif keçirici materiallar Si NP anodları üçün örtük materialları kimi tədqiq edilmişdir , , . Bununla belə, əksəriyyəti tətbiq olunan örtük materialları Si-nin həcmi genişlənməsini təmin edə bilmədiyi və nəticədə təkrar tsikllər zamanı sınıb qaldığı üçün sabit uzunmüddətli tsikllik performansı göstərə bilmir. 8 20 21 Əvvəlki keçirici örtüklərin məhdudiyyətini aradan qaldırmaq və əhəmiyyətli dərəcədə yüksək həcmi enerji sıxlığı ilə yaxşı tsikllik performansı əldə etmək üçün, bu tədqiqatda biz Si səthi üzərində birbaşa böyüdülmüş çoxlaylı qrafendən örtük materialı kimi istifadə edirik. Qrafenin ikiölçülü (2D) laylı xarakteri Si anodlarının unikal və səmərəli işləməsini təmin edir, çünki çoxlaylı qrafen qonşu təbəqələr arasında sürüşmə prosesi vasitəsilə Si həcmi genişlənməsini, hazırlanan elektrodda əvvəlcədən boş sahə təmin etmədən təmin edə bilər. Həmçinin, qrafen örtüklü Si NP peleti, 1 wt% qrafen məzmunu ilə 12,8 S sm⁻¹ yüksək perkolyasiya şəbəkəsi vasitəsilə göstərir. Bu məqsədlə, biz mild oksidantı əhatə edən kimyəvi buxar çökdürmə (CVD) prosesini inkişaf etdirməklə Si səthi üzərində birbaşa qrafen böyüməsinin Si karbid (SiC) əmələ gəlmədən çətinliyini aradan qaldırırıq. SiC əmələ gəlməsi Si anod əməliyyatlarında ölümcüldür, çünki SiC elektrik izolyatorudur və zəif qüsurlu xarakteristikaya malikdir. Üstəlik, SiC Li ionları ilə reaksiyaya girə bilmir və nəticədə Si fazasına Li ion diffuziyasını maneə törədir. Qrafen ara qat sürüşmə prosesinin və təkmilləşdirilmiş keçiriciliyin köməyi ilə, qrafen örtüklü Si NP-ləri 2500 mAh sm⁻³ həcmi tutumuna (hazırkı qrafitdən 550 mAh sm⁻³) çatır, bu da LIB anodları üçün bu günə qədər bildirilənlər arasında ən yüksək dəyərdir, eyni zamanda əla tsikllik və sürət performansı göstərir. Nəticələr Si-siz qrafen böyüməsi Si üzərində CVD prosesi vasitəsilə Si üzərində yüksək keyfiyyətli qrafenin birbaşa böyüməsi sübut olunmuş çətinlikdir , çünki tipik qrafen sintez şəraitləri reduksiyaedici atmosfer tələb edir ki, bu da Si səthindəki təbii Si oksid təbəqəsini soymağa meyllidir və sonra Si ilə dekompozisiya olunmuş karbon prekursorları arasında SiC əmələ gətirmək üçün reaksiya aparır . Metanı (CH4) H2 ilə qarışdırılmış karbon prekursoru kimi istifadə edən ilkin yanaşmamız Si NP-ləri üzərində qrafen böyüməsini əldə edə bilmədi ( ), nəticədə yalnız β-SiC alındı ( ). Bu məhdudiyyəti aradan qaldırmaq üçün, biz CVD prosesinə CH4 (istinadlar  ,  ) ilə birlikdə mild oksidant olan karbon dioksidi (CO2) əlavə etdik. CO2-nin daxil edilməsi SiC əmələ gəlməsindən qaçınmağa və tanınmış qrafen böyüməsi ilə müqayisədə böyümə temperaturunu aşağı salmağa imkan verir . Bizim 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, bu da səmərəli Li ion diffuziyası üçün çox qalın idi ( ). Ara temperaturda, 1000 °C-də, keçirmə elektron mikroskopu (TEM) şəkillərində göstərildiyi kimi 2–10 təbəqə qrafen əmələ gəldi ( ), laylı quruluşu və təxminən 3,4 Å-lik ara qat məsafəsini aydın şəkildə göstərir ( , daxil. Daha yaxından baxış, ayrı-ayrı təbəqələrin Si hissəciyi səthinə birbaşa onların uclarından (Şəkil 1c-də qırmızı oxlar) bərkidildiyini və Si səthinə paralel uzandığını göstərir. Bu yaxşı hizalanmış qrafen təbəqələri, sürüşmə prosesi vasitəsilə litiləşmə zamanı belə öz laylı yığma quruluşunu qoruyub saxlaya bilər ( ), bununla da Si-nin həcmi genişlənməsini təmin etmək üçün zərif bir vasitə təmin edir. SiO2 səthlərində CH4 və H2 istifadə edərək qrafen böyüməsi cəhdləri edilmişdir (istinadlar  ,  ). Lakin, bu proseslərdə qrafen böyüməsi çox qeyri-səmərəli idi və ya SiC əmələ gəlməsindən qaçınmırdı. Qeyri-səmərəli böyümə SiO2 səthində qeyri-kafi katalitik yerlərə aid edilir. Əksinə, bizim prosesimizdə CO2 əlavəsi SiO  forması ilə bəzi qüsurlarla daha çox katalitik yerlər əmələ gətirir. 22 23 Əlavə Şəkil 1 Əlavə Şəkil 2 24 25 23 Əlavə Şəkil 3 Əlavə Şəkil 4 Şəkil 1a,b Şəkil 1b Şəkil 1d 26 27 x   ( ) Gr–Si NP-nin aşağı böyütməli TEM şəkli. ( ) eyni Gr–Si NP-nin Şəkil 1a-dakı ağ qutu hissəsindən daha yüksək böyütməli TEM şəkli. (Daxil edilənlər) İki qırmızı qutu hissəsindən alınan xətt profilləri, qrafen təbəqələri arasındakı ara məsafənin təxminən 3,4 Å olduğunu göstərir, bu da van der Waals qarşılıqlı təsirinə əsaslanan tipik qrafen təbəqələrinin məsafəsinə yaxşı uyğundur. ( ) Fərdi qrafen təbəqələrinin böyüdüyü mənbələri (qırmızı oxlar) vizuallaşdıran yüksək böyütməli TEM şəkli. ( ) Qrafen örtük təbəqələrinin Si-nin həcmi genişlənməsini tamponlaşdıra bilən sürüşmə prosesini göstərən sxematik təsvir. a b c d SiC-siz qrafen böyüməsi həm kütləvi, həm də tək hissəcik miqyaslı analizlərlə təsdiqləndi. Si 2  zolağındakı rentgen fotoelektron spektroskopiyası profilləri ( ), həmçinin rentgen diffraksiyası (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 nəzarət (SiC–Si) nümunəsindən fərqli olaraq. Digər tərəfdən, yüksək bucaqlı qaranlıq sahəli skan effektli TEM təsviri, Si NP-nin daha parlaq nüvəli və nisbətən daha tünd qabığı olan bir nüvə-qabıq quruluşuna malik olduğunu göstərdi, bu da Si nüvəsi və oksid örtüyünə aid edilir ( ). NP boyunca çoxsaylı nöqtələrdən əldə edilən elektron enerji itkisi spektroskopiyası (EELS) spektrləri ( ) cari böyümə prosesində SiC əmələ gəlməsini əks etdirən heç bir siqnal göstərmədi , SiC-siz böyüməni təsdiqləyir. Həmçinin, 108 eV-də SiO2 siqnalları mərkəzdəki digər nöqtələrdən daha güclü olaraq 1 və 2 nöqtələrində aşkarlandı, bu da SiO2 səthinin qrafen böyüməsi üçün katalitik yerlər kimi xidmət etdiyini göstərir. SiO2 səth təbəqələrinin davamlı mövcudluğu XRD ( ) və EELS ( ) xarakterizasiyası ilə də təsdiqləndi. p 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 2  zolağında rentgen fotoelektron spektroskopiyası spektrləri. ( ) Bir Gr–Si NP-nin skan TEM şəkli. ( ) Şəkil 2b-də göstərilən nöqtələr üçün EELS spektrləri. a p b c Yerində TEM analizi İndi biz Gr–Si-nin LIB-lərdə anod materialı kimi istifadəsinə keçirik. Gr–Si NP-lərinin (1 wt% qrafen) litiləşməsi, yerində TEM analizi , , ,  vasitəsilə onların həcmi genişlənməsi zamanı real vaxtda izlənmişdir. Faktiki təcrübədə, bəzi Gr–Si hissəcikləri bir qızıl (Au) sabit elektrod üzərinə qoyulmuşdur. İkinci, lakin hərəkətli bir elektrod, Li/LiO2 ucunda, onları litiləşdirmək üçün Gr–Si NP-ləri ilə təmas etmək üçün yerləşdirilmişdir ( ). İkinci elektrodla təmas yarandıqdan sonra, hissəciklər şişməyə başladı ( ). Bu prosesə daha ətraflı məlumatlar   və  -də baxıla bilər. Qabarcıqlanan iki növ quruluş müşahidə edilmişdir: qüsursuz hissəciklər və qüsurlu hissəciklər, Şəkil 3b,c-də vurğulanmışdır. Qrafenin hissəciyi tamamilə əhatə etdiyi və aşkar qüsurları olmayan hallarda ( ), diametr təxminən 30% artmışdır (220% həcmi genişlənmə). Litiləşmənin sonunda, qrafen təbəqələrinin ara qat məsafəsi Li interkalasiyasını əks etdirən 3,8 Å-ə qədər artmışdır , və qrafen örtüyünün laylı xarakteristikası NP ətrafında tamamilə qorunmuşdur ( ), bu da Şəkil 3c-də təsvir olunduğu kimi təbəqələr arasında sürüşmə prosesini təklif edir. Qüsurlu bölgənin olduğu hallarda (Şəkil 3a-da yaşıl dairəyə baxın), şişmə zamanı daxili hissəcik parçalanır və qüsurdan keçir ( ). Müşahidə edilən fərqli parçalanma davranışları hissəcik ölçüsündən qaynaqlanması ehtimalı azdır, çünki Şəkil 3-də parçalanmış hissəcikdən daha böyük olan əhatə olunmuş hissəcik parçalanmadı (Şəkil 5-də 0 və 40 s-də göstərilən hissəciklərə baxın). Həmçinin, son müşahidə  göstərir ki, əhatə olunmasa belə, daha kiçik Si hissəcikləri (<50 nm) hissəciklər daxilində Li konsentrasiyası qradiyenti səbəbindən parçalana bilər, bu da əhəmiyyətli gərginlik yarada bilər. Əslində, Si hissəciyi parçalanmasının kritik ölçüsü hallardan asılıdır və həcmi genişlənmə zamanı yaranan gərginliyin nə qədər səmərəli buraxıla bildiyi ilə əlaqəlidir. Kritik ölçü >200 nm-ə qədər uzana bilər (istinad  ). 29 30 31 32 Şəkil 3a Şəkil 3b Əlavə Şəkil 5 Əlavə Filmlər 1–3 Şəkil 3d 33 Şəkil 3d Şəkil 3e 34 35   ( ) Au telinin səthinə bərkidilmiş Gr–Si NP-lər və ikinci bir Li/LiO2 elektrodu. ( ) Litiləşmədən sonra eyni Gr–Si NP-lər. ( ) Qüsursuz və qüsurlu qrafen örtüyü üçün litiləşmiş Gr–Si NP-lərin sxematik xülasəsi. ( , ) ( ) qüsursuz hissəcik (Şəkil 3a və  -də qırmızı xətlə dairələnmiş) və ( ) qüsurlu hissəcik (Şəkil 3a və  -də mavi xətlə dairələnmiş) üçün yaxın TEM şəkilləri. Hər iki halda EELS spektrləri litiləşməni təsdiqləyir. Hər iki halda qırmızı qutulardan alınan xətt profilləri, litiləşməni qrafen ara qat məkanına əks etdirən təxminən 3,8 Å-lik artmış ara qat məsafələri göstərir. a b c d e d b e b Yerində EELS analizi, 55 eV yaxınında bulanıq Li K-ucğu və 100 eV-də Si L-ucğu vasitəsilə hər iki halda Si-nin litiləşməsini təsdiqləyir ( ; istinad  ). Şəkil 3d-dəki qrafenin səthində görünən təbəqə Li/Li2O qalıqlarına aid edilir. Əsasən, qrafen təbəqələri Si səthində kimyəvi bağlı kökləri vasitəsilə Si ilə inteqrasiyanı qoruyur və eyni zamanda, sürüşmə prosesi azsaylı qrafen örtüyünün Si-nin həcmi genişlənməsini təmin etməsinə imkan verir. Ayrı bir yerində olmayan TEM təcrübəsində, Gr–Si LIB elektrodu ilə, ilk litiləşmədən sonra ölçülən qrafen təbəqələrinin orta sayı 9,4-dən 5,6 təbəqəyə qədər azaldığı müşahidə edilmişdir ( ), bu da ara qat sürüşmə prosesini yenidən təsdiqləyir. Şəkil 3d,e 36 Əlavə Şəkil 6 Qrafen örtüyü və ara qat sürüşmə prosesi, həcmi genişlənmə zamanı Si hissəciyinin bütövlüyünü qorumağa kömək edən sıxıcı qüvvə tətbiq edir. Bununla belə, bu sıxıcı mexanizm Li diffuziyasına təsir etmir, çünki elektrokimyəvi ölçmələrdə yaxşı xüsusi tutumlar əldə edilir. Həmçinin qeyd etmək lazımdır ki, həcmi genişlənmə bütün radial istiqamətlərdə hissəciklərin, hətta ikinci elektrodla təmas nöqtəsi çox lokal olsa belə, ümumilikdə vahid idi. Bu, qrafen təbəqələrinin Si nüvəsinə vahid Li ion diffuziyası meylini vurğulayır (Şəkil 3a,b-də qırmızı və narıncı nöqtəli xətlərə baxın). Yerindəki təhlil həmçinin qrafen təbəqələri vasitəsilə Li diffuziyasının kifayət qədər sürətli olduğunu göstərir, bu da əvvəlki tədqiqatlarla uyğundur , . Həmçinin qeyd olunur ki, müşahidə edilən sıxıcı təsir əsasən səthdəki təbii oksid təbəqələrindən deyil, qrafen örtük təbəqələrindən qaynaqlanır, çünki səth oksid təbəqələri əhəmiyyətli təsir göstərmək üçün çox nazikdir. Səth oksid təbəqələrinə əsaslanan sıxıcı təsir yalnız Si-nin boş quruluşlara malik olduqda müşahidə edilmişdir ,  və ya oksid təbəqələri çox qalın olduqda . 30 37 7 11 38 Keçiricilik və elektrokimyəvi ölçmələr Qrafen böyüməsindən sonra, aktiv material yığınının keçiriciliyi əhəmiyyətli dərəcədə artır. Toz halında qablaşdırıldıqda, orijinal Si 10⁻⁷ S sm⁻¹-dən az keçiriciliyə malik idi, halbuki 1 wt% qrafen əlavəsi belə keçiriciliyi 12,8 S sm⁻¹-ə əhəmiyyətli dərəcədə artırdı ( ). Bu təkmil, qrafen örtük təbəqələrinin mükəmməl perkolyasiya davranışına aid edilir, belə ki, 2D qrafen və onun yaxşı hizalanmış laylı yığımı yaxşı ə Şəkil 4a

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 İOE Batareyanı Daha Uzun Ömürlü və Daha Çox Enerji Saxlamağa Səbəb Ola Bilər

About Author

ŞƏRHLƏR

ETİKET ASIN

BU MƏQALƏ TƏQDİM EDİLMİŞDİR

Related Stories

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

How Azarus's Technology is Transforming Viewer Engagement on Stream

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

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

How Azarus's Technology is Transforming Viewer Engagement on Stream

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