```html
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Tekijät: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 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 Tiivistelmä Piin havaittava huomio aktiivisena materiaalina seuraavan sukupolven litiumioniakkujen anodeissa sen vertaansa vailla olevan gravimetrisen kapasiteetin vuoksi. Piin suuri tilavuusmuutos lataus–purkausjaksojen aikana kuitenkin heikentää sen kilpailukykyä tilavuusenergiatiheyden ja syklin keston osalta. Tässä raportoimme suoran grafeenin kasvun piipartikkeleiden yli ilman piikarbidin muodostumista. Grafeenikerrokset, jotka on ankkuroitu piin pintaan, mukautuvat piin tilavuuden laajenemiseen liukumisprosessin kautta vierekkäisten grafeenikerrosten välillä. Kun se yhdistetään kaupalliseen litiumkobolttioksidikathodiin, piikarbiditon grafeenipinnoite mahdollistaa täyden kennon saavuttaa tilavuusenergiatiheydet 972 ja 700 Wh l−1 ensimmäisessä ja 200. syklissä, mikä on 1,8 ja 1,5 kertaa suurempi kuin nykyisten kaupallisten litiumioniakkujen. Tämä havainto viittaa siihen, että grafeenin kaksiulotteinen kerrosrakenne ja sen piikarbidi-vapaa integrointi piin kanssa voivat toimia prototyyppinä piianodien kehittämisessä kaupallisesti kannattavaksi teknologiaksi. Johdanto Piin (Si) teoreettinen gravimetrinen kapasiteetti saavuttaa lähes 4 000 mAh g−1. Tämä vertaansa vailla oleva arvo on kiihdyttänyt akkututkimusyhteisöä panostamaan huomattavasti tutkimuspyrkimyksiä, koska korkea gravimetrinen kapasiteetti mahdollistaa litiumioniakkujen (LIB) energiatiheyden merkittävän lisäämisen ja siten tulevien LIB-sovellusten, kuten sähköajoneuvojen, toteuttamisen , , , , . Viime vuosikymmenen aikana on kehitetty monipuolisia kehittyneitä elektrodijärjestelmiä , , , , , , , , , ,  ja sideainesuunnitelmia , ,  ratkaisemaan kroonisia kapasiteetin häviämisongelmia, jotka johtuvat Piin suuresta tilavuuden muutoksesta, johtaen merkittävästi parantuneeseen syklin suorituskykyyn jopa tuhansien sykkien aikana . Huolimatta lupaavasta gravimetrisestä arvosta ja merkittävästä edistyksestä syklin kestossa, useimmat tähän mennessä esitellyt Piianodit ovat keskittyneet pääasiassa gravimetriseen kapasiteettiin, mutta eivät ole tarjonneet vastaavaa lupausta tilavuuskapasiteetissaan, koska olemassa olevat elektrodijärjestelmät luottavat ennalta määritettyyn tyhjään tilaan, joka mukautuu Piin tilavuuden laajenemiseen. Monissa LIB-sovelluksissa, mukaan lukien kannettavat elektroniikkalaitteet, tilavuusenergiatiheys on kuitenkin kriittinen parametri akkujen suorituskyvyn määrittämisessä. Yhdessä suhteellisen huonomman syklin keston kanssa heikko tilavuusenergiatiheys on tällä hetkellä suurin pullonkaula Piianodien käyttöönotossa kaupallisissa kennoissa. Tämän kriittisen kysynnän täyttämiseksi Piianoditeknologiaa on tarkasteltava uudelleen erilaisilla elektrodijärjestelmillä, jotka tarjoavat vakaan syklin suorituskyvyn, samalla kun elektrodin tilavuus minimoidaan. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 11 Vaikka erilaisia Piin morfologioita ja niiden yhdisteitä muiden johtavien materiaalien kanssa on tällä hetkellä saatavilla, välitöntä ratkaisua todelliseen valmistukseen, joka vaatii korkealaatuista laadunvalvontaa, helposti ja skaalautuvasti syntetisoitavissa olevat aktiiviset Piikomponentit ovat välttämättömiä. Käytännön sovellusnäkökulmasta, valtavasta määrästä käyttökelpoisia ehdokkaita, kaupallisten Piipartikkeleiden (NP) käyttö yksinkertaisella ja tehokkaalla johtavalla pintapinnoitteella olisi erittäin toivottavaa. Eri johtavia materiaaleja, mukaan lukien amorfinen hiili (AC), on tutkittu pinnoitusmateriaaleina Pi NP -anodeille , , . Useimmat niistä eivät kuitenkaan onnistu toimittamaan vakaata pitkäaikaista syklin suorituskykyä, koska toteutetut pinnoitusmateriaalit eivät kykene mukautumaan Piin tilavuuden laajenemiseen ja murtuvat sen seurauksena toistuvissa sykleissä. 8 20 21 Pyrittäessä ratkaisemaan aiempien johtavien pinnoitteiden rajoituksia ja saavuttamaan hyvän syklin suorituskyvyn merkittävästi korkeammalla tilavuusenergiatiheydellä, tässä tutkimuksessa käytämme monikerrosgrafeenia, joka on kasvatettu suoraan Piin pinnalle pinnoitusmateriaalina. Grafeenin kaksiulotteinen (2D) kerrosluonne tarjoaa ainutlaatuisen ja tehokkaan toiminnan Piianodeille, koska monikerrosgrafeeni voi mukautua Piin tilavuuden laajenemiseen liukumisprosessin kautta vierekkäisten kerrosten välillä ilman tarvetta tarjota tyhjää tilaa   valmiissa elektrodissa. Lisäksi grafeenilla päällystetty Pi NP -pelletti saavuttaa 12,8 S cm−1 marginaalisella grafeenipitoisuudella 1 painoprosenttia korkean perkolaatioverkon kautta. Tämän saavuttamiseksi olemme ylittäneet haasteen kasvattaa grafeenia suoraan Piin pinnoilla ilman piikarbidin (SiC) muodostumista kehittämällä kemialliset kaasufaasipinnoitusprosessin (CVD), joka sisältää mietoa hapetinta. SiC:n muodostuminen on kohtalokasta Piianodien toiminnalle, koska SiC on sähköneriste, jolla on huonot vikakytkentäominaisuudet. Lisäksi SiC on inaktiivinen reagoimaan Li-ionien kanssa ja estää siten Li-ionien diffuusion Piin. Grafeenikerrosten liukumisprosessin ja parantuneen johtavuuden avulla grafeenilla päällystetyt Pi NP:t saavuttavat tilavuuskapasiteetin 2 500 mAh cm−3 (verrattuna 550 mAh cm−3 kaupallista grafiittia), mikä on korkein arvo tähän mennessä raportoiduista LIB-anodeista, samalla kun osoitetaan erinomaista syklin ja nopeuden suorituskykyä. a priori Tulokset SiC-vapaa grafeenin kasvu Piillä Korkealaatuisen grafeenin suora kasvattaminen Piillä CVD-prosessin avulla on osoittautunut haastavaksi , koska tyypilliset grafeenisynteesiolosuhteet vaativat pelkistävää ilmakehää, joka pyrkii poistamaan luonnollisen Piin oksidikerroksen Piin pinnalta ja sitten ajaa reaktion Piin ja hajonneiden hiiliesiasteiden välillä muodostaakseen PiC:tä . Alkuperäinen lähestymistapamme käyttää metaania (CH4) hiiliesiasteena sekoitettuna H2:een ei todellakaan onnistunut grafeenin kasvattamisessa Pi NP:ihin ( ), tuottaen vain β-SiC:tä ( ). Tämän rajoituksen ylittämiseksi sisällytimme hiilidioksidin (CO2), miedon hapettimen, CVD-prosessiin metaanin (CH4) (viitteet  , ) lisäksi. CO2:n sisällyttäminen mahdollistaa SiC:n muodostumisen välttämisen ja myös kasvulämpötilan alentamisen verrattuna tunnettuun grafeenin kasvuun pinnalla . Kokeessamme 900 °C:ssa grafeenin kasvu oli epätäydellistä tai epäyhtenäistä ( ), kun taas grafeenin kasvu 1 100 °C:ssa tuotti liian paksuja oksidikerroksia Piin pinnalle tehokkaan Li-ionien diffuusion kannalta ( ). Välilämpötilassa 1 000 °C muodostui 2–10 kerrosta grafeenia, kuten läpäisyelektronimikroskooppikuvissa (TEM) näkyy ( ), jotka näyttävät selvästi kerrosrakenteen sekä kerrosten etäisyyden lähellä 3,4 Å ( , sisäkuva). Tarkempi tarkastelu osoittaa, että yksittäiset kerrokset ovat ankkuroitu suoraan Piin partikkelipintaan päissään (punaiset nuolet kuvassa  ) ja ovat rinnakkain Piin pinnan kanssa. Nämä hyvin linjatut grafeenikerrokset voivat säilyttää kerrostuneen pinoamisrakenteensa jopa litiumin aikana liukumisprosessin kautta ( ), tarjoten siten elegantin tavan mukauttaa Piin tilavuuden laajenemista. Grafeenin kasvu on yritetty Piidioksidi (SiO2) pinnoilla käyttäen CH4:tä ja H2:ta (viitteet  , ). Grafeenin kasvu näissä prosesseissa oli kuitenkin hyvin tehotonta tai ei välttänyt SiC:n muodostumista. Tehottomuus johtuu riittämättömistä katalyyttisistä paikoista SiO2-pinnalla. Päinvastoin, prosessissamme CO2:n lisäys tuottaa enemmän katalyyttisiä paikkoja SiO  muodossa, jossa on joitain vikoja. 22 23 Suppl. kuva 1 Suppl. kuva 2 24 25 23 Suppl. kuva 3 Suppl. kuva 4 Kuva 1a,b Kuva 1b 1c Kuva 1d 26 27 x   ( ) Matalaresoluutioinen TEM-kuva Gr–Si NP:stä. ( ) Korkeampiresoluutioinen TEM-kuva samasta Gr–Si NP:stä valkoisesta laatikosta kohdassa  . (Sisäkuvat) Kahden punaisen laatikon linjaprofiilit osoittavat, että grafeenikerrosten välinen kerrosväli on noin 3,4 Å, mikä on hyvin sopusoinnussa tyypillisten van der Waalsin vuorovaikutukseen perustuvien grafeenikerrosten kanssa. ( ) Korkearesoluutioinen TEM-kuva, joka visualisoi alkuperät (punaiset nuolet), joista yksittäiset grafeenikerrokset kasvavat. ( ) Skeemaattinen kuvaus grafeenipinnoitekerrosten liukumisprosessista, joka voi puskuroimalla mukautua Piin tilavuuden laajenemiseen. a b a c d SiC-vapaa grafeenin kasvu varmistettiin sekä irtotavarana että yksittäisen partikkelin mittakaavassa. Piin 2p-alueen röntgenfotoelektronispektroskopian profiilit ( ) sekä röntgendiffraktiokuvio (XRD) ( ) eivät osoita piikarbidia vastaavia piikkejä grafeenilla päällystetylle Piille (Gr–Si), AC-päällystetylle Piille (AC–Si) ja alkuperäiselle Piille, toisin kuin vertailunäytteessä (SiC–Si), joka on syntetisoitu CO2-vapaalla reitillä käyttäen CH4:tä ja H2:ta. Toisaalta korkeakulmainen tummakenttäskannaus TEM-kuvaus osoitti, että Pi NP:llä oli ydin-kuorirakenne, jossa kirkkaampi ydin ja ohut suhteellisen tummempi kuori, jotka johtuvat Pi-ytimestä ja oksidi-pinnoitteesta ( ). Elektronien energiahäviöspektroskopian (EELS) spektrit ( ), jotka saatiin useista kohdista partikkelin poikki, eivät osoittaneet mitään signaaleja , jotka heijastaisivat SiC:n muodostumista, vahvistaen SiC-vapaan kasvun nykyisessä kasvatusprosessissa. Lisäksi 108 eV:ssa olevia SiO2-signaaleja havaittiin kohdissa 1 ja 2 vahvemmin kuin muissa keskipisteissä, mikä viittaa siihen, että SiO2-pinta toimii katalyyttisinä paikkoina grafeenin kasvulle. SiO2-pintakerrosten pysyvä läsnäolo vahvistettiin myös XRD ( ) ja EELS ( ) karakterisoinnilla. Kuva 2a Suppl. kuva 2 Kuva 2b Kuva 2c 28 Suppl. kuva 2 Kuva 2b,c   ( ) Röntgenfotoelektronispektroskopian spektrit Si 2p -alueella Gr–Si, SiC–Si, AC–Si ja alkuperäiselle Piille. ( ) Skannaus-TEM-kuva Gr–Si NP:stä. ( ) EELS-spektrit kohdille, jotka on merkitty kohdassa  . a b c b  TEM-analyysi In situ Siirrymme nyt Gr–Si:n käyttöön anodimateriaalina LIB:ssä. Gr–Si NP:iden (1 painoprosenttia grafeenia) litiumin lisäystä seurattiin reaaliajassa niiden tilavuuden laajenemisen aikana käyttäen   TEM-analyysiä , , , . Varsinaisessa kokeessa joitakin Gr–Si-partikkeleita asetettiin kullan (Au) kiinnittämälle elektrodille. Toinen, mutta liikuteltava, Li/LiO2-kärjellä varustettu elektrodi asetettiin siten, että se oli juuri kosketuksessa Gr–Si NP:iden kanssa litioidakseen ne ( ). Heti kun kontakti toiseen elektrodiin oli muodostunut, partikkelit alkoivat turvota ( ). Lisätietoja tästä prosessista löytyy kuvista   ja  . Havaittiin kahdentyyppisiä laajenevia rakenteita: virheettömiä partikkeleita ja viallisia partikkeleita, kuten korostettuna kuvissa  . Tapauksissa, joissa grafeeni kapseloi partikkelin täysin ja ilman ilmeisiä vikoja ( ), halkaisija kasvoi noin 30 % (220 % tilavuuden laajeneminen). Litioinnin lopussa grafeenikerrosten kerrosväli kasvoi 3,8 Å:iin, mikä heijastaa Li-interkalaatiota , ja grafitoidun pinnoitteen kerrosluonne säilyi partikkelin ympärillä ( ), mikä viittaa kerrosten väliseen liukumisprosessiin, kuten kuvassa   esitetään. Tapauksissa, joissa esiintyy viallinen alue (ks. vihreä ympyrä kuvassa  ), turpoamisen yhteydessä sisäinen partikkeli murskaantuu ja repeytyy vian läpi ( ). Havaittujen erilaisten murtumiskäyttäytymisten tuskin johtuvat partikkelin koosta, sillä kapseloidu hieman isompi kuin kuvassa   murtunut partikkeli ei murtunut (ks. osoitetut partikkelit kohdissa 0 ja 40 s kuvassa  ). Lisäksi tuore havainto  osoittaa, että jos se ei ole kapseloitu, jopa pienemmät Piipartikkelit (<50 nm) voivat murtua Li-pitoisuusgradientin vuoksi partikkelien sisällä, mikä voi luoda merkittävää jännitystä. Itse asiassa Piipartikkelin murtumisen kriittinen koko riippuu tapauksesta ja liittyy siihen, kuinka tehokkaasti tilavuuden laajenemisen aikana syntyvä jännitys voidaan vapauttaa. Kriittinen koko voi ulottua yli 200 nm (viite  ). in situ 29 30 31 32 Kuva 3a Kuva 3b Suppl. kuva 5 Suppl. videot 1–3 3b,c Kuva 3d 33 Kuva 3d 3c 3a Kuva 3e 3 Suppl. kuva 5 34 35   ( ) Gr–Si NP:t kiinnitettynä Au-langan pintaan ja toiseen Li/LiO2-elektrodiin. ( ) Samat Gr–Si NP:t litiumoinnin jälkeen. ( ) Systeeminen yhteenveto litioiduista Gr–Si NP:istä sekä virheettömälle että vialliselle grafeenikapseloinnille. ( , ) Lähikuvat TEM-kuvat ( ) virheettömästä partikkelista (punaisella ympyröity kuvassa   ja  ) ja ( ) viallisesta partikkelista (sinisellä ympyröity kuvassa   >ja  ). EELS-spektrit molemmissa tapauksissa vahvistavat litioinnin. Linjaprofiilit punaisista laatikoista molemmissa tapauksissa osoittavat kasvaneita kerrosvälejä noin 3,8 Å, mikä heijastaa litiointia grafeenin kerrosten väliseen tilaan. a b c d e d a b e a b Paikallinen EELS-analyysi litioinnin aikana vahvistaa Piin litioinnin molemmissa tapauksissa samean Li K-reunan lähellä 55 eV sekä Pi L-reunan 100 eV:ssa ( ; viite  ). Grafeenin pinnalla olevan kerroksen kuvassa   uskotaan olevan Li/Li2O-jäännöstä. Pohjimmiltaan grafeenikerrokset säilyttävät integraation Piin kanssa kemiallisesti sidottujen juuriensa kautta Piin pinnalla, ja samalla liukumisprosessi mahdollistaa harvan kerroksen grafeenipinnoitteen mukautua Piin tilavuuden laajenemiseen. Erillisessä   TEM-kokeessa Gr–Si LIB-elektrodilla havaittiin, että grafeenikerrosten keskimääräinen lukumäärä eri paikoissa laski 9,4:stä 5,6 kerrokseen ( ) ensimmäisen litiumoinnin jälkeen, vahvistaen jälleen kerrosten välisen liukumisprosessin. Kuva 3d,e 36 3d ex situ Suppl. kuva 6 Grafeenin kapselointi ja kerrosten välinen liukumisprosessi luovat puristavan voiman, joka auttaa säilyttämään Piipartikkelin eheyden tilavuuden laajenemisen aikana. Tämä puristusmekanismi ei kuitenkaan näytä vaikuttavan Li-diffuusioon, sillä sähkökemiallisissa mittauksissa saavutetaan hyviä spesifisiä kapasiteetteja. On myös huomattava, että partikkelien tilavuuden laajeneminen oli kokonaisuudessaan tasaista kaikkiin säteittäisiin suuntiin, vaikka kontakti toiseen elektrodiin oli erittäin paikallinen. Tämä korostaa grafeenikerrosten taipumusta homogeeniseen Li-ionien diffuusioon Piin ytimeen (ks. punaiset ja oranssit katkoviivat kuvissa  ).   analyysi osoittaa myös, että Li-diffuusio grafeenikerrosten läpi on melko nopeaa, mikä on sopusoinnussa aiempien tutkimusten kanssa , . On myös huomattava, että havaittu puristusvaikutus johtuu pääasiassa grafeenipinnoitekerroksista eikä luonnollisista pintakerroksista, koska pintakerrokset ovat liian ohuita merkittävän vaikutuksen aikaansaamiseksi. Pintakerroksiin perustuvaa puristusvaikutusta on havaittu vain, kun Piillä on onttoja rakenteita ,  tai oksidikerrokset ovat hyvin paksuja . 3a,b In situ 30 37 7 11 38 Johtavuus ja sähkökemialliset mittaukset Grafeenin kasvun jälkeen aktiivisen materiaalikoostumuksen johtavuus paranee merkittävästi. Kun pellettöitynä jauheena, alkuperäinen Pii osoitti matalaa johtavuutta <10−7 S cm−1, kun taas jopa 1 painoprosentin grafeenin lisäys lisäsi johtavuutta merkittävästi 12,8 S cm−1:een ( ). Tämä parannus johtuu grafeenipinnoitekerrosten erinomaisesta perkolaatiokäyttäytymisestä siten, että 2D-grafeeni ja sen hyvin linjatut kerrostetut pinoamiset edistävät hyvin yhteytettyä johtavaa verkostoa ( ), ja on myös yhdenmukainen aiempien grafeeni-polymeerikomposiittien kanssa . Johtavuus kasvoi edelleen 38,3 S cm−1:een 5 painoprosentin grafeenipitoisuudella. Kuva 4a Suppl. kuva 7 39   ( ) Gr–Si:n, AC–Si:n ja Super P–Si:n pellettien johtavuudet eri hiilipitoisuuksilla. ( ) Ensimmäiset litiuminti–del a b

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

Tämä ääni on tuotettu tarinan alkuperäisellä kielellä!

Grafeenin läpimurto voisi pidentää sähköautojen akkujen käyttöikää ja lisätä niiden energian varastointikapasiteettia.

About Author

KOMMENTIT

RIPUTA TAGSIA

TÄMÄ ARTIKKELI ESITETTIIN

Related Stories

Why The "Missing Middle" Is The Biggest Untapped Opportunity in 2026

About Bitcoin And “Web 2.5,” HackerNoon’s First Documentary

Spaghetti

The #bitcoin Writing Contest by Rootstock and HackerNoon: Final Round Results🎉

Why The "Missing Middle" Is The Biggest Untapped Opportunity in 2026

About Bitcoin And “Web 2.5,” HackerNoon’s First Documentary

Spaghetti

The #bitcoin Writing Contest by Rootstock and HackerNoon: Final Round Results🎉

Light-Mode

Classic

Newspaper

Minty

Dark-Mode

Neon Noir

Minty

HN StartUps