```html
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Հեղինակներ: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Ին Հյուկ Սոն Ջոնգ Հվան Պարկ Սունչուլ Կվոն Սեոնգյոնգ Պարկ Մարկ Հ. Ռյումմելի Ալիցա Բախմատյուկ Հյուն Ջե Սոնգ Ջունհվան Կու Ջանգ Վուկ Չոյ Ջե-ման Չոյ Սեոկ-Գվանգ Դու Հյուկ Չանգ Ամփոփում Պայծառ նյութը, որպես հաջորդ սերնդի լիթիում-իոնային մարտկոցների անոդի ակտիվ նյութ, իր անզուգական գրավիտացիոն հզորության պատճառով գրավում է ուշադրություն։ Այնուամենայնիվ, լիթիում-իոնային մարտկոցի լիցքավորման/լիցքաթափման ցիկլերի ընթացքում պայծառի մեծ ծավալային փոփոխությունը թուլացնում է դրա մրցունակությունը ծավալային էներգիայի խտության և ցիկլի կյանքի պայմաններում։ Այստեղ մենք հաղորդում ենք գրաֆենի ուղղակի աճի մասին պայծառ նանոմասնիկների վրա՝ առանց պայծառ կարբիդի ձևավորման։ Պայծառ մակերեսին ամրացված գրաֆենի շերտերը տեղավորում են պայծառի ծավալային ընդլայնումը հարևան գրաֆենի շերտերի միջև սահելու գործընթացի միջոցով։ Երբ զուգակցված է առևտրային լիթիում կոբալտի օքսիդ կաթոդի հետ, պայծառ կարբիդ-ազատ գրաֆենային ծածկույթը թույլ է տալիս ամբողջական մարտկոցին հասնել 972 և 700 Վտժ/լ ծավալային էներգիայի խտությունների՝ համապատասխանաբար առաջին և 200-րդ ցիկլում, ինչը 1.8 և 1.5 անգամ ավելի բարձր է, քան ընթացիկ առևտրային լիթիում-իոնային մարտկոցներինը։ Այս դիտարկումը ենթադրում է, որ գրաֆենի երկչափային շերտավոր կառուցվածքը և նրա պայծառ կարբիդ-ազատ ինտեգրումը պայծառի հետ կարող են ծառայել որպես նախատիպ՝ պայծառ անոդները առևտրային տեխնոլոգիայի վերածելու համար։ Ներդրում Պայծառի (Si) տեսական գրավիտացիոն հզորությունը հասնում է մոտ 4000 մԱժ/գ։ Այս անզուգական արժեքը խթանել է մարտկոցների համայնքին զգալի հետազոտական ջանքեր ներդնելու համար, քանի որ բարձր գրավիտացիոն հզորությունը թույլ է տալիս զգալիորեն ավելացնել լիթիում-իոնային մարտկոցների (LIB) էներգիայի խտությունները, և այդպիսով իրականություն դարձնել ապագա LIB կիրառությունները, ինչպիսիք են էլեկտրական մեքենաները , , , , ։ Վերջին տասնամյակում մշակվել են տարբեր առաջադեմ էլեկտրոդային կառուցվածքներ , , , , , , , , , ,  և կապակցիչի դիզայններ , ,  որոնք մշակվել են Si-ի մեծ ծավալային փոփոխությունից առաջացած երկարատև հզորության մարումային խնդիրները լուծելու համար, ինչը հանգեցնում է ցիկլի կատարյալ կատարմանը նույնիսկ հազարավոր ցիկլերից հետո ։ Չնայած խոստումնալից գրավիտացիոն արժեքին և ցիկլի կյանքի զգալի առաջընթացին, մինչ այժմ ցուցադրված Si անոդերի մեծ մասը հիմնականում կենտրոնացել է գրավիտացիոն հզորության վրա, բայց չի առաջարկել նմանատիպ խոստում ծավալային հզորության մեջ, քանի որ գոյություն ունեցող էլեկտրոդային դիզայնները հիմնված են Si-ի ծավալային ընդլայնումը տեղավորելու համար նախապես սահմանված դատարկ տարածքի վրա։ Այնուամենայնիվ, LIB շատ կիրառություններում, ներառյալ պորտատիվ էլեկտրոնիկա, ծավալային էներգիայի խտությունը մարտկոցի կատարման որոշման կարևոր պարամետր է։ Միասին ոչ կատարյալ ցիկլի կյանքի հետ, թույլ ծավալային էներգիայի խտությունը ներկայումս հիմնական խոչընդոտն է Si անոդերը առևտրային բջիջներում ներդնելու համար։ Այս կարևոր պահանջը բավարարելու համար Si անոդի տեխնոլոգիան պետք է վերանայվի տարբեր էլեկտրոդային դիզայններով, որոնք առաջարկում են կայուն ցիկլի կատարում, մինչդեռ էլեկտրոդի ծավալը նվազագույն է։ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 11 Թեև Si տարբեր ձևերի և այլ հաղորդիչ նյութերի հետ դրանց կոմպոզիցիաները ներկայումս հասանելի են, անմիջական լուծման համար, որը պահանջում է բարձր մակարդակի որակի վերահսկում, ակտիվ Si բաղադրիչների հեշտ և մասշտաբային սինթեզը կարևոր է։ Գործնական կիրառության տեսանկյունից, հնարավոր թեկնածուների լայն շրջանակից, առևտրային Si նանոմասնիկների (NP) օգտագործումը պարզ և արդյունավետ հաղորդիչ մակերեսային ծածկույթով կլինի չափազանց ցանկալի։ Տարբեր հաղորդիչ նյութեր, ներառյալ ամորֆ ածխածին (AC), ուսումնասիրվել են Si NP անոդերի ծածկույթի նյութերի համար , , ։ Սակայն դրանց մեծ մասը չի կարողանում ապահովել կայուն երկարատև ցիկլի կատարում, քանի որ կիրառված ծածկույթի նյութերը չեն կարողանում տեղավորել Si-ի ծավալային ընդլայնումը և, հետևաբար, ճաքում են կրկնվող ցիկլերի ընթացքում։ 8 20 21 Նախորդ հաղորդիչ ծածկույթների սահմանափակումը հաղթահարելու և զգալիորեն ավելի բարձր ծավալային էներգիայի խտությամբ լավ ցիկլի կատարման հասնելու փորձի շրջանակներում, այս ուսումնասիրության մեջ մենք որպես ծածկույթի նյութ օգտագործում ենք Si մակերեսի վրա ուղղակիորեն աճած բազմաշերտ գրաֆենը։ Գրաֆենի երկչափ (2D) շերտավոր բնույթը ապահովում է Si անոդերի եզակի և արդյունավետ գործողություն, քանի որ բազմաշերտ գրաֆենը կարող է տեղավորել Si ծավալի ընդլայնումը նախքան առկա էլեկտրոդում դատարկ տարածք տրամադրելու անհրաժեշտությունը<0xC2><0xA0>  ։ Նաև, գրաֆենով ծածկված Si NP գնդիկը ցույց է տալիս 12.8 S/սմ 1 գրեթե 1 զանգվածային% գրաֆենի պարունակության դեպքում՝ բարձր պերկոլյացիայի ցանցի միջոցով։ Դրան հասնելու համար մենք հաղթահարում ենք SiC ձևավորման բացակայությամբ Si մակերեսի վրա գրաֆենի ուղղակի աճի մարտահրավերը՝ մշակելով քիմիական գոլորշու նստեցման (CVD) գործընթաց, որը ներառում է մեղմ օքսիդիչ։ SiC ձևավորումը մահացու է Si անոդերի գործողություններում, քանի որ SiC-ն էլեկտրական մեկուսիչ է՝ ցածր դեֆեկտային բնութագրերով։ Ավելին, SiC-ն ակտիվ չէ Li իոնների հետ ռեակցիայի մեջ և, հետևաբար, խոչընդոտում է Li իոնների դիֆուզիան դեպի Si փուլ։ Գրաֆենային միջշերտ սահքի գործընթացի և բարելավված հաղորդականության օգնությամբ՝ գրաֆենով ծածկված Si NP-ները հասնում են 2500 մԱժ/սմ³ ծավալային հզորության (համեմատած 550 մԱժ/սմ³ առևտրային գրաֆիտի)։ Այս արժեքը ամենաբարձրն է մինչ այժմ հաղորդված LIB անոդերի շրջանում, մինչդեռ ցույց է տալիս գերազանց ցիկլի և արագության կատարում։ a priori Արդյունքներ SiC-ազատ գրաֆենի աճը Si-ի վրա Si-ի վրա բարձրորակ գրաֆենի ուղղակի աճը CVD գործընթացի միջոցով դժվար է եղել , քանի որ գրաֆենի սինթեզի բնորոշ պայմանները պահանջում են կրճատող մթնոլորտ, որը հակված է հեռացնել Si բնական օքսիդային շերտը Si մակերեսից, այնուհետև առաջացնում է Si-ի և քայքայված ածխածնային նախադրյալների միջև ռեակցիա՝ SiC ձևավորելու համար ։ Մեր սկզբնական մոտեցումը՝ օգտագործելով մեթան (CH4) որպես ածխածնային նախադրյալ, որը խառնված է H2-ի հետ, իսկապես չի կարողացել ձեռք բերել գրաֆենի աճ Si NP-ների վրա ( ), դրանով իսկ առաջացնելով միայն β-SiC ( )։ Այս սահմանափակումը հաղթահարելու համար մենք ներառեցինք ածխածնի երկօքսիդ (CO2), մեղմ օքսիդիչ, CVD գործընթացում CH4-ի հետ միասին (հղումներ  , )։ CO2-ի ներառումը թույլ է տալիս խուսափել SiC-ի ձևավորումից և նաև ցածրացնել աճի ջերմաստիճանը՝ համեմատած մակերեսի վրա գրաֆենի հայտնի աճի հետ ։ Մեր փորձում, 900 °C-ում, գրաֆենի աճը անավարտ կամ անհամաչափ էր ( ), մինչդեռ 1100 °C-ում գրաֆենի աճը ձևավորեց Si մակերեսի վրա շատ հաստ օքսիդային շերտեր, որոնք անհարմար են արդյունավետ Li իոնային դիֆուզիայի համար ( )։ Միջանկյալ 1000 °C ջերմաստիճանում, 2–10 շերտ գրաֆեն էր ձևավորվել, ինչպես ցույց է տրված փոխանցման էլեկտրոնային մանրադիտակային (TEM) պատկերներում ( ), որոնք հստակ ցույց են տալիս շերտավոր կառուցվածքը, ինչպես նաև շերտերի միջև հեռավորությունը մոտ 3.4 Å ( , ներդիր)։ Ավելի մանրամասն ուսումնասիրությունը ցույց է տալիս, որ առանձին շերտերը ամրացված են ուղղակիորեն Si մասնիկի մակերեսին իրենց ծայրերում (կարմիր սլաքները  ) և զուգահեռ են Si մակերեսին։ Այս լավ դասավորված գրաֆենի շերտերը կարող են պահպանել իրենց շերտավոր դասավորության կառուցվածքը նույնիսկ լիթիացման ընթացքում՝ հարևան շերտերի միջև սահելու գործընթացի միջոցով ( ), այդպիսով ապահովելով պարզ միջոց Si ծավալի ընդլայնումը տեղավորելու համար։ Գրաֆենի աճը փորձվել է Si օքսիդ (SiO2) մակերեսների վրա՝ օգտագործելով CH4 և H2 (հղումներ  , )։ Սակայն այդ գործընթացներում գրաֆենի աճը շատ անարդյունավետ էր կամ չէր խուսափում SiC ձևավորումից։ Անարդյունավետ աճը վերագրվում է SiO2 մակերեսի վրա բավարար կատալիտիկ կայանների բացակայությանը։ Ի հակադրություն, մեր գործընթացում CO2-ի ավելացումը ձևավորում է ավելի շատ կատալիտիկ կայաններ SiO  ձևով՝ որոշ դեֆեկտներով։ 22 23 Լրացուցիչ նկ. 1 Լրացուցիչ նկ. 2 24 25 23 Լրացուցիչ նկ. 3 Լրացուցիչ նկ. 4 Նկ. 1a,b Նկ. 1b Նկ. 1c Նկ. 1d 26 27 x   ( ) Gr–Si NP-ի ցածր խոշորացման TEM պատկերը։ ( ) Նույն Gr–Si NP-ի ավելի մեծ խոշորացման TEM պատկերը  -ի սպիտակ տուփից։ (Ներդիրներ) Երկու կարմիր տուփերից ստացված գծային պրոֆիլները ցույց են տալիս, որ գրաֆենային շերտերի միջև հեռավորությունը մոտ 3.4 Å է, ինչը լավ համապատասխանում է վան դեր Վալսի փոխազդեցության վրա հիմնված գրաֆենային շերտերի բնորոշ հեռավորությանը։ ( ) Բարձր խոշորացման TEM պատկեր, որը ցույց է տալիս այն ծագումները (կարմիր սլաքները), որոնցից աճում են գրաֆենի առանձին շերտերը։ ( ) Սխեմատիկ պատկեր, որը ցույց է տալիս գրաֆենային ծածկույթի շերտերի սահմանման գործընթացը, որը կարող է փոխհատուցել Si-ի ծավալային ընդլայնումը։ a b a c d SiC-ազատ գրաֆենի աճը հաստատվել է ինչպես մեծածավալ, այնպես էլ մեկ մասնիկի մակարդակի վերլուծություններով։ Si 2  ժապավենում ռենտգենային ֆոտոէլեկտրոնային սպեկտրոսկոպիայի պրոֆիլները ( ), ինչպես նաև ռենտգենյան դիֆրակցիայի (XRD) սպեկտրները ( ) չեն ցույց տալիս SiC-ին համապատասխանող որևէ գագաթ գրաֆենով ծածկված Si (Gr–Si), AC-ով ծածկված Si (AC–Si) և անաղարտ Si համար, ի տարբերություն վերահսկիչ (SiC–Si) նմուշի, որը սինթեզվել է CO2-ազատ մեթոդով՝ CH4 և H2 օգտագործելով։ Մյուս կողմից, բարձր անկյունային մուգ դաշտի սկանավորող TEM պատկերում ցույց է տրվել, որ Si NP-ն ունի միջուկ-պատյան կառուցվածք՝ ավելի պայծառ միջուկով և բարակ, համեմատաբար մուգ պատյանով, որը վերագրվում է Si միջուկին և օքսիդային ծածկույթին ( )։ Էլեկտրոնային էներգիայի կորուստ սպեկտրոսկոպիայի (EELS) սպեկտրները ( ), որոնք ստացվել են NP-ի միջով բազմաթիվ կետերից, չեն ցույց տվել որևէ ազդանշան  SiC ձևավորման վերաբերյալ, հաստատելով SiC-ազատ աճը ընթացիկ աճի գործընթացում։  SiO2 ազդանշանները 108 էՎ-ում ավելի ուժեղ են եղել 1 և 2 կետերում, քան կենտրոնում գտնվող այլ կետերը, ինչը ենթադրում է, որ SiO2 մակերեսը ծառայում է որպես գրաֆենի աճի կատալիտիկ կայաններ։ SiO2 մակերեսային շերտերի շարունակական առկայությունը նույնպես հաստատվել է XRD ( ) և EELS ( ) բնութագրման միջոցով։ p Նկ. 2a Լրացուցիչ նկ. 2 Նկ. 2b Նկ. 2c 28 Լրացուցիչ նկ. 2 Նկ. 2b,c   ( ) Rենտգենային ֆոտոէլեկտրոնային սպեկտրոսկոպիայի սպեկտրները Si 2  ժապավենում Gr–Si, SiC–Si, AC–Si և անաղարտ Si համար։ ( ) Gr–Si NP-ի սկանավորող TEM պատկերը։ ( ) EELS սպեկտրները  -ում նշված կետերի համար։ a p b c b  TEM վերլուծություն In situ Այժմ դիտարկենք Gr–Si-ի օգտագործումը LIB-ներում որպես անոդային նյութ։ Gr–Si NP-ների լիթիացումը (1 զանգվածային% գրաֆեն) մոնիտորինգ է արվել իրական ժամանակում՝ դրանց ծավալի ընդլայնման ժամանակ՝ օգտագործելով   TEM վերլուծություն , , , ։ Իրական փորձում, Gr–Si մասնիկներից մի քանիսը տեղադրվել են ոսկու (Au) վրա ամրացված էլեկտրոդի վրա։ Երկրորդ, բայց շարժական էլեկտրոդը՝ Li/LiO2 ծայրով, տեղադրվել է այնպես, որ մոտենա Gr–Si NP-ներին՝ դրանք լիթիացնելու համար ( )։ Երկրորդ էլեկտրոդի հետ շփում ստեղծվելուց հետո մասնիկները սկսեցին ուռչել ( )։ Այս գործընթացի ավելի մանրամասն տեղեկատվություն կարելի է գտնել   և  ։ Դիտվել են երկու տեսակի ընդլայնվող կառուցվածքներ՝ ոչ-դեֆեկտային մասնիկներ և դեֆեկտային մասնիկներ, ինչպես ընդգծված է  -ում։ Այն դեպքերում, երբ գրաֆենը լիովին փաթաթում է մասնիկը և չունի ակնհայտ դեֆեկտներ ( ), տրամագիծը աճել է մոտ 30% (220% ծավալային ընդլայնում)։ Լիթիացման վերջում գրաֆենային շերտերի միջշերտ հեռավորությունը հասել է 3.8 Å-ի՝ արտացոլելով Li միջամտությունը , և գրաֆիտային ծածկույթի շերտավոր բնույթը պահպանվել է NP-ի շուրջ ( ), ինչը ենթադրում է շերտերի միջև սահմանման գործընթաց, ինչպես պատկերված է  -ում։ Այն դեպքերում, երբ գոյություն ունի դեֆեկտային շրջան (տես կանաչ շրջան  -ում), ուռչելուց հետո ներքին մասնիկը քայքայվում է և ճեղքվում դեֆեկտի միջով ( )։ Դիտված ճեղքման տարբեր վարքագծերը, հավանաբար, չեն պայմանավորված մասնիկի չափով, քանի որ ավելի մեծ փաթաթված մասնիկը, քան ճաքածը  -ում, չի ճաքել (տես նշված մասնիկները 0 և 40 վայրկյաններին  in situ 29 30 31 32 Նկ. 3a Նկ. 3b Լրացուցիչ նկ. 5 Լրացուցիչ ֆիլմեր 1–3 Նկ. 3b,c Նկ. 3d 33 Նկ. 3d Նկ. 3c Նկ. 3a Նկ. 3e Նկ. 3

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

Այս աուդիոն պատրաստվել է պատմության բնօրինակ լեզվով:

Graphene-ի հայտնագործությունը կարող է էլեկտրական մեքենաների մարտկոցներին ավելի երկար կյանք և ավելի շատ էներգիա պահելու հնարավորություն ընձեռել

About Author

ՄԵԿՆԱԲԱՆՈՒԹՅՈՒՆՆԵՐ

ԿԱԽՎԵԼ ՏԵԳՍԵՐ

ԱՅՍ ՀՈԴՎԱԾԸ ՆԵՐԿԱՅԱՑՎԵԼ Է Մ

Related Stories

HyperCycle Announces Strategic Split into Two Distinct Operations

How HyperCycle Is Building the Internet for AI: A Deep Dive with Toufi Saliba

What is Hyperthreading and How Do You Enable It?

Toufi Saliba: The Architect Behind HyperCycle's Decentralized Network of AI

HyperCycle Announces Strategic Split into Two Distinct Operations

How HyperCycle Is Building the Internet for AI: A Deep Dive with Toufi Saliba

What is Hyperthreading and How Do You Enable It?

Toufi Saliba: The Architect Behind HyperCycle's Decentralized Network of AI

Light-Mode

Classic

Newspaper

Minty

Dark-Mode

Neon Noir

Minty

HN StartUps