
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 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 qravimetrik tutumuna görə növbəti nəsil litium-ion batareyalarının anodları üçün aktiv material kimi diqqət çəkir. Bununla belə, doldurma-boşaltma dövrləri zamanı silikonun böyük həcm dəyişimi həcmi enerji sıxlığı və dövrə ömrü baxımından rəqabət qabiliyyətini zəiflədir. Burada biz silikon karbid əmələ gəlmədən silikon nanozərdəciklər üzərində birbaşa qrafen böyüməsini bildiririk. Silikon səthinə bərkidilmiş qrafen təbəqələri qonşu qrafen təbəqələri arasında sürüşmə prosesi vasitəsilə silikonun həcm genişləməsini öhdəsinə götürür. Kommersiya litium kobalt oksid katodu ilə cütləşdirildikdə, silikon karbidsiz qrafen örtüyü tam hüceyrənin müvafiq olaraq ilk və 200-cü dövrədə 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 əmələ gəlməyən inteqrasiyasının silikon anodlarını kommersiya baxımından həyata keçirilə bilən texnologiyaya doğru inkişaf etdirmək üçün bir prototip kimi xidmət edə biləcəyini göstərir. Giriş Silikonun (Si) nəzəri qravimetrik tutumu təxminən 4000 mAh/q-a çatır. Bu misilsiz dəyər, yüksək qravimetrik tutumun litium-ion batareyalarının (LIB) enerji sıxlıqlarını əhəmiyyətli dərəcədə artırmağa imkan verdiyi və bununla da elektrik nəqliyyat vasitələri kimi gələcək LIB tətbiqlərini reallığa çevirdiyi üçün batareya ictimaiyyətini böyük tədqiqat səyləri sərf etməyə təşviq etmişdir , , , , . Son on ildə, Si-nin böyük həcm dəyişməsindən yaranan müddətli tutum itkisi problemlərini həll etmək üçün müxtəlif qabaqcıl elektrod strukturları , , , , , , , , , ,  və yapışdırıcı dizaynları , ,  minlərlə dövrə ərzində əhəmiyyətli dərəcədə təkmilləşdirilmiş dövrə performansı əldə edildi . Ümidverici qravimetrik dəyərə və dövrə ömründə əhəmiyyətli irəliləyişə baxmayaraq, bu günə qədər göstərilən Si anodlarının əksəriyyəti əsasən qravimetrik tutuma diqqət yetirmiş, lakin həcmi tutumunda eyni vədi təklif etməmişdir, çünki mövcud elektrod dizaynları Si-nin həcm genişləməsini yerləşdirmək üçün əvvəllər təyin edilmiş boş məkanı güman edir. Lakin, portativ elektronika daxil olmaqla bir çox LIB tətbiqlərində, həcmi enerji sıxlığı batareya performansını müəyyən edən kritik parametrdir. Nisbətən aşağı dövrə ömrü ilə birlikdə, zəif həcmi enerji sıxlığı hazırda Si anodlarını kommersiya hüceyrələrinə tətbiq etməkdə əsas maneədir. Bu kritik tələbi ödəmək üçün, Si anod texnologiyasının elektrod həcminin minimum olduğu sabit dövrə performansı təklif 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 Müxtəlif Si morfoloji və digər keçirici materiallarla birləşmələri mövcud olsa da, yüksək standart keyfiyyət nəzarəti tələb edən actual istehsal üçün dərhal həll yolu olaraq, aktiv Si komponentlərinin asan və miqyaslana bilən sintezi həlledici əhəmiyyət kəsb edir. Praktik tətbiq nöqteyi-nəzərindən, saysız-hesabsız həyata keçirilə bilən namizədlər arasında, sadə və səmərəli keçirici səth örtüyü ilə kommersiya Si nanozərdəciklərindən (NP) istifadə etmək çox arzuolunandır. Amorf karbon (AC) daxil olmaqla müxtəlif keçirici materiallar Si NP anodları üçün örtük materialları kimi tədqiq edilmişdir , , . Lakin, tətbiq olunan örtük materialları Si-nin həcm genişləməsini yerləşdirməkdə bacarıqsız olduqda və nəticədə təkrar dövrlər zamanı qırıldıqda, əksəriyyəti sabit uzunmüddətli dövrə performansını təmin edə bilmir. 8 20 21 Əvvəlki keçirici örtüklərin məhdudiyyətini aradan qaldırmaq və əhəmiyyətli dərəcədə daha yüksək həcmi enerji sıxlığı ilə yaxşı dövrə performansı əldə etmək cəhdi ilə, bu tədqiqatda biz Si səthi üzərində birbaşa böyüdülmüş çoxqatlı qrafeni örtük materialı kimi qəbul edirik. Qrafenin ikiölçülü (2D) laylı xarakteristikası Si anodlarının unikal və səmərəli işləməsini təmin edir, çünki çoxqatlı qrafen, əvvəlcədən elektrodda boş yerə ehtiyac olmadan, qonşu təbəqələr arasında sürüşmə prosesi vasitəsilə Si həcm genişlənməsini yerləşdirə bilər. Həmçinin, qrafen örtüklü Si NP pellet, 1 ədəd/dəq qrafen tərkibi ilə, yüksək perkolyasiya şəbəkəsi vasitəsilə 12,8 S/sm təşkil edir. Bu məqsədlə, mild oksidantın iştirak etdiyi kimyəvi buxar çökdürmə (CVD) prosesi inkişaf etdirərək, SiC əmələ gəlmədən Si səthlərində birbaşa qrafen böyütmə çətinliyini aradan qaldırırıq. SiC, elektrik izolyatoru və zəif qüsur xarakteristikalarına malik olduğundan, Si anod əməliyyatlarında ölümcül rol oynayır. Bundan əlavə, SiC, Li ionları ilə reaksiyaya girmədə passivdir və nəticədə Si fazasına Li ion diffuziyasını maneə törədir. Qrafen qatları arasındakı sürüşmə prosesi və təkmilləşdirilmiş keçiricilik sayəsində, qrafen örtüklü Si NP-ləri 2500 mAh/sm³ həcmi tutumuna çatır (kommersiya qrafitindən 550 mAh/sm³-ə qarşı), istənilən LIB anodları üçün bu günə qədər bildirilənlər arasında ən yüksək dəyərdir, eyni zamanda əla dövrə və sürət performansı göstərir. Nəticələr SiC-siz qrafenin Si üzərində böyüməsi CVD prosesi vasitəsilə Si üzərində yüksək keyfiyyətli qrafenin birbaşa böyüməsi çətin olmuşdur , çünki tipik qrafen sintez şərtləri, Si səthindən yerli Si oksid təbəqəsini çıxaran və sonra Si ilə parçalanmış karbon prekursörləri arasında SiC əmələ gətirən reaksiyanı həyata keçirən reduksiyaedici atmosfer tələb edir . H  ilə qarışdırılmış metan (CH ) kimi karbon prekursorundan istifadə edərək ilkin yanaşmamız, həqiqətən də Si NP-ləri üzərində qrafen böyüməsini nail ola bilməmişdir ( ), bununla yalnız β-SiC əldə edilmişdir ( ). Bu məhdudiyyəti aradan qaldırmaq üçün, CH  (istilər  ,  ) ilə birlikdə CVD prosesinə, mild oksidant olan karbon dioksid (CO ) daxil etdik. CO -nin daxil edilməsi SiC əmələ gəlməsini istisna edir və məlum qrafen böyüməsinə  nisbətən böyümə temperaturunu aşağı salır. 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 ki, bu da Li ion diffuziyası üçün səmərəsizdir ( ). 1000 °C-də orta temperaturda, ötürücü elektron mikroskopu (TEM) şəkillərində göstərildiyi kimi (Şəkil 1a,b) 2–10 qat qrafen əmələ gəldi, laylı quruluşu və ~3,4 Å yaxınındakı laylararası məsafəni aydın şəkildə göstərir (Şəkil 1b, daxil edilmiş). Daha yaxından baxış, fərdi təbəqələrin uclarında (Şəkil 1c-də qırmızı oxlar) birbaşa Si zərrəciyi səthinə bərkidildiyini və Si səthinə paralel uzandığını göstərir. Bu yaxşı düzülmüş qrafen təbəqələri, sürüşmə prosesi zamanı laylı yığım quruluşunu saxlayır ( ), beləliklə Si-nin həcm genişlənməsini yerləşdirmək üçün zərif bir vasitə təmin edir. Qrafen böyüməsi, CH  və H  (istilər  ,  ) istifadə edərək Si dioksid (SiO ) səthlərində cəhdedilmişdir. Lakin, bu proseslərdə qrafen böyüməsi çox qeyri-səmərəli idi və ya SiC əmələ gəlməsindən qaçınmırdı. Qeyri-səmərəlilik SiO  səthində kifayət qədər katalitik sahələrin olmamasına bağlanır. Əksinə, bizim prosesimizdə CO  əlavəsi bəzi qüsurları olan SiO  şəklində daha çox katalitik sahə yaradır. 22 23 2 4 Əlavə Şəkil 1 Əlavə Şəkil 2 4 24 25 2 2 23 Əlavə Şəkil 3 Əlavə Şəkil 4 Şəkil 1d 4 2 26 27 2 2 2 x   ( ) Gr–Si NP-nin aşağı böyütmə TEM şəkli. ( ) A-dakı qırmızı xana üçün eyni Gr–Si NP-nin daha yüksək böyütmə TEM şəkli. ( Daxil edilmiş) İki qırmızı xananın xətt profilləri qrafen təbəqələri arasındakı məsafənin təxminən ~3,4 Å olduğunu göstərir, bu da van der Waals qarşılıqlı təsirinə əsaslanan tipik qrafen təbəqələri ilə yaxşı uyğundur. ( ) Fərdi qrafen təbəqələrinin böyüdüyü mənşələri (qırmızı oxlar) vizuallaşdıran yüksək böyütmə TEM şəkli. ( ) Si-nin həcm genişlənməsini tamponlayabilən qrafen örtük təbəqələrinin sürüşmə prosesini göstərən şematik təsvir. a b c d SiC-siz qrafen böyüməsi həm toplu miqyasda, həm də tək zərrəcik miqyasında təhlillə təsdiqləndi. Si 2p lentindəki rentgen fotoelektron spektroskopiya profilləri ( ) həmçinin rentgen difraksiyası (XRD) spektrləri ( ) qrafen örtüklü Si (Gr–Si), AC-örtüklü Si (AC–Si) və orijinal Si üçün heç bir SiC-yə uyğun zirvə göstərmir, halbuki CH  və H  istifadə edərək CO -siz marşrutla sintez edilmiş bir nəzarət (SiC–Si) nümunəsindən fərqli olaraq. Digər tərəfdən, yüksək bucaqlı tünd sahəli tarama TEM təsviri, Si NP-nin daha parlaq nüvə və daha nazik nisbətən tünd qabığı olan bir nüvə-qabıq quruluşuna malik olduğunu göstərdi ki, bu da Si nüvəsi və oksid örtüyünə aiddir ( ). Zərrəcik boyunca bir neçə nöqtədən əldə edilən elektron enerji itkisi spektroskopiyası (EELS) spektrləri ( ) SiC əmələ gəlməsini əks etdirən heç bir siqnal göstərmədi , cari böyümə prosesində SiC-siz böyüməni təsdiqləyir. Həmçinin, 108 eV-də SiO  siqnalları mərkəzdəki digər nöqtələrdən daha güclü olaraq 1 və 2 nöqtələrində aşkar edildi, bu da SiO  səthinin qrafen böyüməsi üçün katalitik sahələr kimi xidmət etdiyini göstərir. SiO  səth təbəqələrinin davamlı mövcudluğu XRD ( ) və EELS ( ) xarakteristikası ilə də təsdiqləndi. Şəkil 2a Əlavə Şəkil 2 4 2 2 Şəkil 2b Şəkil 2c 28 2 2 2 Əlavə Şəkil 2 Şəkil 2b,c   ( ) Gr–Si, SiC–Si, AC–Si və orijinal Si üçün Si 2p lentində rentgen fotoelektron spektroskopiya spektrləri. ( ) Gr–Si NP-nin tarama TEM şəkli. ( ) b-də göstərilən nöqtələr üçün EELS spektrləri. a b c Yerində TEM təhlili İndi biz Gr–Si-nin LIB-də anod materialı kimi istifadəsinə keçirik. Gr–Si NP-lərin (1 ədəd/dəq qrafen) litiumlaşması, yerində TEM təhlili , , ,  istifadə edərək onların həcm genişlənməsi zamanı real vaxtda izlənildi. Actual təcrübədə, bəzi Gr–Si zərrəcikləri qızıl (Au) ilə bərkidilmiş elektrod üzərinə yerləşdirildi. İkinci, lakin hərəkətli bir elektrod, ucunda Li/LiO  olmaqla, onları litiumlaşdırmaq üçün Gr–Si NP-lərinə toxunacaq şəkildə yerləşdirildi ( ). İkinci elektrodla əlaqə yarandıqdan sonra, zərrəciklər şişməyə başladı ( ). Bu proses haqqında daha ətraflı məlumat   və  -də baxıla bilər. Qabarıq zərrəciklər və qüsurlu zərrəciklər olmaqla iki növ genişlənən struktur müşahidə edildi,  -də vurğulanmışdır. Qrafenin zərrəciyi tamamilə əhatə etdiyi və heç bir açıq qüsuru olmayan hallarda ( ), diametr ~30% (220% həcm genişlənməsi) artdı. Litiumlaşmanın sonunda, qrafen təbəqələrinin laylararası məsafəsi Li interkalasiyasını əks etdirən 3,8 Å-ə qədər artdı , və qrafit örtüyün laylı xarakteristikası NP ətrafında qorundu ( ), bu da  -də təsvir olunduğu kimi bir sürüşmə prosesini göstərir. Qüsurlu bölgənin olduğu hallarda (Şəkil 3a-da yaşıl dairəyə baxın), şişmə zamanı daxili zərrəcik parçalanır və qüsurdan keçir ( ). Müşahidə edilən fərqli qırılma davranışları zərrəcik ölçüsündən qaynaqlanmır, çünki Şəkil 3-dəki qırılmışdan daha böyük əhatə olunmuş bir zərrəcik qırılmadı (Əlavə Şəkil 5-də 0 və 40 s-də göstərilən zərrəciklərə baxın). Həmçinin, son müşahidələr  göstərir ki, əgər əhatə olunmayıbsa, daha kiçik Si zərrəcikləri belə (<50 nm) zərrəciklər daxilində Li konsentrasiya qradiyenti səbəbindən qırıla bilər ki, bu da əhəmiyyətli stress yarada bilər. Əslində, Si zərrəciyi qırılmasının kritik ölçüsü haldan-hala dəyişir və həcm genişlənməsi zamanı yaranan stressin nə dərəcədə effektiv şəkildə buraxıla bilməsi ilə əlaqəlidir. Kritik ölçü >200 nm-ə qədər uzana bilər (ist.  ). 29 30 31 32 2 Şəkil 3a Şəkil 3b Əlavə Şəkil 5 Əlavə Filmlər 1–3 Şəkil 3b,c Şəkil 3d 33 Şəkil 3d Şəkil 3c Şəkil 3e 34 35   ( ) Au telinin səthinə yapışdırılmış Gr–Si NP-lər və ikinci bir Li/LiO  elektrodu. ( ) Litiumlaşmadan sonra eyni Gr–Si NP-lər. ( ) Qüsursuz və qüsurlu qrafen örtüyü üçün litiumlaşmış Gr–Si NP-lərin şematik xülasəsi. ( , ) Qüsursuz zərrəcik (  və  -də qırmızı xətlə dairələnmiş) və ( ) qüsurlu zərrəcik (  və  -də mavi xətlə dairələnmiş) üçün yaxınlaşdırılmış TEM şəkilləri. Hər iki halda EELS spektrləri litiumlaşmanı təsdiqləyir. Hər iki halda qırmızı xana profilləri, litiumlaşmanı əks etdirən təxminən 3,8 Å-lik artmış laylararası məsafələr göstərir. a 2 b c d e a b e a b Litiumlaşma zamanı yerli EELS təhlili, həmçinin 55 eV yaxınındakı bulanıq Li K-dövrü və 100 eV-də Si L-dövrü vasitəsilə hər iki halda Si-nin litiumlaşmasını təsdiqləyir ( ; ist.  ). Şəkil 3d-dəki qrafen səthində göstərilən təbəqə, Li/Li O qalıqlarına aiddir. Əsasən, qrafen təbəqələri kimyəvi şəkildə Si səthinə bərkidilmiş kökləri vasitəsilə Si ilə inteqrasiyanı qoruyur və eyni zamanda, sürüşmə prosesi az qatlı qrafen örtüyünün Si-nin həcm genişlənməsini yerləşdirməsinə imkan verir. Ayrı bir *ex situ* TEM təcrübəsində Gr–Si LIB elektrodu ilə, ilk litiumlaşmadan sonra qrafen təbəqələrinin orta sayının 9,4-dən 5,6 təbəqəyə endiyi müşahidə edildi ( ), bu da laylararası sürüşmə prosesini yenidən təsdiqləyir. Şəkil 3d,e 36 2 Əlavə Şəkil 6 Qrafen örtüyü və laylararası sürüşmə prosesi, həcm genişlənməsi zamanı Si zərrəciyi bütövlüyünü qorumağa kömək edən bir sıxma qüvvəsi tətbiq edir. Lakin, bu sıxma mexanizmi Li diffuziyasına təsir etmir, çünki elektrokimyəvi ölçmələrdə yaxşı xüsusi tutumlar əldə edilir. Həmçinin, qeyd etmək lazımdır ki, ikinci elektrodla təmas nöqtəsi yüksək dərəcədə yerləşdirilmiş olsa belə, zərrəciklərin həcm genişlənməsi ümumiyyətlə bütün radial istiqamətlərdə vahid idi. Bu, qrafen təbəqələrinin Si nüvəsinə homojen Li ion diffuziyası meylini vurğulayır (Şəkil 3a,b-də qırmızı və narıncı nöqtəli xətlərə baxın). Yerindəki təhlil həmçinin göstərir ki, qrafen təbəqələri vasitəsilə Li diffuziyası əvvəlki tədqiqatlarla ,  uyğun olaraq kifayət qədər sürətlidir. Həmçinin, qeyd olunur ki, müşahidə edilən sıxma təsiri əsasən səth yerli oksid təbəqələrindən deyil, qrafen örtük təbəqələrindən qaynaqlanır, çünki səth oksid təbəqələri əhəmiyyətli təsir göstərmək üçün çox nazikdir. Səth oksid təbəqələrinə əsaslanan sıxma təsiri yalnız Si-nin boş quruluşları ,  olduqda və ya oksid təbəqələri çox qalın olduqda 30 37 7 11

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 Nailiyyəti Elektrikli 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

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

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

Light-Mode

Classic

Newspaper

Minty

Dark-Mode

Neon Noir

Minty

HN StartUps