```html
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Հեղինակներ՝ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Ին Հյուկ Սոն Ջոնգ Հվան Պարկ Սունչուլ Կվոն Սեոնգյոնգ Պարկ Մարկ Հ. Ռյումմելի Ալիցիա Բախմատյուկ Հյուն Ջե Սոնգ Ջունհվան Կու Ջանգ Վուկ Չոյ Ջե-ման Չոյ Սեոկ-Գվանգ Դու Հյուկ Չանգ Հակիրճ Սիլիկոնն ակնհայտ ուշադրության է արժանանում որպես հաջորդ սերնդի լիթիում-իոնային մարտկոցների անոդների ակտիվ նյութ, իր անզուգական մեծարժեք հզորության շնորհիվ։ Սակայն, լիցքա-լիցքաթափման ցիկլերի ընթացքում սիլիկոնի մեծ ծավալային փոփոխությունը թուլացնում է դրա մրցունակությունը ծավալային էներգիայի խտության և ցիկլի կյանքի առումով։ Այստեղ մենք զեկուցում ենք գրաֆենի ուղղակի աճի մասին սիլիկոնային նանոմասնիկների վրա՝ առանց սիլիկոնի կարբիդի առաջացման։ Գրաֆենի շերտերը, որոնք ամրացված են սիլիկոնի մակերեսին, հարմարվում են սիլիկոնի ծավալային ընդլայնմանը՝ հարևան գրաֆենի շերտերի միջև սահելու միջոցով։ Երբ զուգակցվում է առևտրային լիթիումի կոբալտի օքսիդ կաթոդի հետ, սիլիկոնի կարբիդազուրկ գրաֆենային ծածկույթը թույլ է տալիս ամբողջական բջիջին հասնել 972 և 700 Վտ·ժ/լ ծավալային էներգիայի խտության, համապատասխանաբար, առաջին և 200-րդ ցիկլում, ինչը 1,8 և 1,5 անգամ ավելի բարձր է, քան ներկայիս առևտրային լիթիում-իոնային մարտկոցներինը։ Այս դիտարկումը ենթադրում է, որ գրաֆենի երկչափային շերտավոր կառուցվածքը և դրա սիլիկոնի կարբիդազուրկ ինտեգրումը սիլիկոնի հետ կարող են ծառայել որպես նախատիպ՝ սիլիկոնային անոդները առևտրայինորեն կենսունակ տեխնոլոգիայի զարգացման գործում։ Ներածություն Սիլիկոնի (Si) տեսական մեծարժեք հզորությունը հասնում է գրեթե 4000 մԱ·ժ/գ։ Այս անզուգական արժեքը խթանել է մարտկոցների համայնքին զգալի հետազոտական ջանքեր ներդնելու համար, քանի որ բարձր մեծարժեք հզորությունը թույլ է տալիս զգալիորեն ավելացնել լիթիում-իոնային մարտկոցների (LIB) էներգիայի խտությունը, և այդպիսով իրականություն դարձնել ապագա LIB կիրառությունները, ինչպիսիք են էլեկտրական մեքենաները։ Վերջին տասնամյակում տարբեր առաջադեմ էլեկտրոդային կառուցվածքներ և կապակցիչների ձևավորումներ մշակվել են՝ լուծելու Si-ի մեծ ծավալային փոփոխությունից առաջացած քրոնիկական հզորության կորստի խնդիրները, ինչը հանգեցրել է նշանակալիորեն բարելավված ցիկլային կատարողականության, նույնիսկ հազարավոր ցիկլերի ընթացքում։ Չնայած խոստումնալից մեծարժեք արժեքին և ցիկլի կյանքի զգալի առաջընթացին, մինչ օրս ցուցադրված Si անոդերի մեծ մասը հիմնականում կենտրոնացել է մեծարժեք հզորության վրա, սակայն չի առաջարկել նմանատիպ խոստում ծավալային հզորության առումով, քանի որ գոյություն ունեցող էլեկտրոդային ձևավորումները հենվում են նախապես սահմանված դատարկ տարածքի վրա՝ Si-ի ծավալային ընդլայնումը տեղավորելու համար։ Այնուամենայնիվ, շատ LIB կիրառություններում, ներառյալ շարժական էլեկտրոնիկան, ծավալային էներգիայի խտությունը մարտկոցի կատարողականությունը որոշող կարևոր պարամետր է։ Ի թիվս համեմատաբար անբավարար ցիկլի կյանքի, թույլ ծավալային էներգիայի խտությունը ներկայումս հանդիսանում է առանցքային խոչընդոտ Si անոդերի առևտրային բջիջներում ներդրման գործում։ Այս կարևոր պահանջարկը բավարարելու համար Si անոդի տեխնոլոգիան պետք է վերանայվի տարբեր էլեկտրոդային ձևավորումներով, որոնք ապահովում են կայուն ցիկլային կատարողականություն, մինչդեռ էլեկտրոդի ծավալը նվազագույն է։ Թեև տարբեր Si ձևաբանություններ և դրանց կոմպոզիցիաները այլ հաղորդիչ նյութերի հետ ներկայումս առկա են, առկա արտադրության անմիջական լուծման համար, որը պահանջում է բարձրակարգ որակի վերահսկում, ակտիվ Si բաղադրիչների հեշտ և մասշտաբային սինթեզը կարևոր է։ Գործնական կիրառության տեսանկյունից, հազարավոր կենսունակ թեկնածուների մեջ, առևտրային Si նանոմասնիկների (NPs) օգտագործումը պարզ և արդյունավետ հաղորդիչ մակերեսային ծածկույթով կլինի չափազանց ցանկալի։ Տարբեր հաղորդիչ նյութեր, ներառյալ ամորֆ ածխածինը (AC), հետազոտվել են որպես ծածկույթ նյութեր Si NP անոդերի համար։ Սակայն, դրանց մեծ մասը չի կարողացել ապահովել կայուն երկարաժամկետ ցիկլային կատարողականություն, քանի որ կիրառված ծածկույթ նյութերը չեն կարողացել հարմարվել Si-ի ծավալային ընդլայնմանը և, հետևաբար, ճաքճքում են կրկնվող ցիկլերի ընթացքում։ Համարելով նախկին հաղորդիչ ծածկույթների սահմանափակումը հաղթահարելու և զգալիորեն ավելի բարձր ծավալային էներգիայի խտությամբ լավ ցիկլային կատարողականություն ձեռք բերելու փորձում, այս ուսումնասիրության մեջ մենք որպես ծածկույթ նյութ ընդունում ենք բազմաշերտ գրաֆեն, որն ուղղակիորեն աճեցվում է Si մակերեսին։ Գրաֆենի երկչափ (2D) շերտավոր բնույթը ապահովում է Si անոդերի եզակի և արդյունավետ գործունեություն, քանի որ բազմաշերտ գրաֆենը կարող է հարմարվել Si ծավալային ընդլայնմանը՝ հարևան շերտերի միջև սահելու միջոցով, առանց նախապես էլեկտրոդի մեջ դատարկ տարածք ապահովելու անհրաժեշտության։ Նաև, գրաֆենով ծածկված Si NP գնդիկը ցուցադրել է 12.8 Ս/սմ կետայնություն՝ 1 վտ% մարգինալ գրաֆենի պարունակությամբ, բարձր պերկոլյացիայի ցանցի միջոցով։ Այս նպատակով մենք հաղթահարում ենք Si մակերեսին անմիջականորեն գրաֆեն աճեցնելու մարտահրավերը՝ առանց Si կարբիդի (SiC) առաջացման, մշակելով քիմիական գոլորշիի նստեցման (CVD) պրոցես, որը ներառում է մեղմ օքսիդիչ։ SiC-ի առաջացումը ճակատագրական է Si անոդի գործառնության մեջ, 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 դիֆուզիային Si փուլ։ Գրաֆենային միջշերտային սահմանի օգնությամբ և բարելավված հաղորդականությամբ, գրաֆենով ծածկված Si NPs-ն հասնում են 2500 մԱ·ժ/սմ³ ծավալային հզորության (550 մԱ·ժ/սմ³ առևտրային գրաֆիտի համեմատ), ամենաբարձր արժեքը, որը մինչ օրս հաղորդվել է LIB անոդերի համար, մինչդեռ ցուցադրում է գերազանց ցիկլային և արագության կատարողականություն։ Արդյունքներ SiC-ազատ գրաֆենի աճը Si-ի վրա Si-ի վրա բարձրորակ գրաֆենի ուղղակի աճը CVD պրոցեսի միջոցով դժվար է եղել, քանի որ գրաֆենի սինթեզի տիպիկ պայմանները պահանջում են վերականգնող մթնոլորտ, որը հակված է հեռացնել Si մակերեսից բնական Si օքսիդային շերտը, այնուհետև առաջացնում է Si-ի և վերականգնված ածխածնային նախակուրսորների միջև ռեակցիա՝ SiC առաջացնելու համար։ Մեր սկզբնական մոտեցումը՝ մեթան (CH4) օգտագործելով որպես ածխածնային նախակուրսոր՝ խառնված H2-ի հետ, իսկապես չի կարողացել գրաֆենի աճ ձեռք բերել Si NPs-ի վրա, այդպիսով առաջացնելով միայն β-SiC։ Այս սահմանափակումը հաղթահարելու համար մենք ներառել ենք ածխածնի երկօքսիդ (CO2), մեղմ օքսիդիչ, CVD պրոցեսում CH4-ի հետ միասին։ CO2-ի ներառումը թույլ է տալիս խուսափել SiC-ի առաջացումից և նաև ցածրացնել աճի ջերմաստիճանը՝ համեմատած մակերեսային գրաֆենի հայտնի աճի հետ։ Մեր փորձում, 900 °C-ում, գրաֆենի աճը կա՛մ ոչ ամբողջական էր, կա՛մ անհամաչափ, մինչդեռ 1100 °C-ում գրաֆենի աճը առաջացնում էր Si մակերեսի վրա շատ հաստ օքսիդային շերտեր՝ արդյունավետ Li իոնների դիֆուզիայի համար։ Միջանկյալ 1000 °C ջերմաստիճանում, 2-10 շերտ գրաֆեն ձևավորվեց, ինչպես ցույց են տալիս էլեկտրոնային մանրադիտակի (TEM) պատկերները, հստակ ցույց տալով շերտավոր կառուցվածքը, ինչպես նաև շերտերի միջև հեռավորությունը մոտ 3.4 Å, որը համապատասխանում է վան դեր Վալսի փոխազդեցության վրա հիմնված տիպիկ գրաֆենային շերտերի հեռավորությանը։ Ավելի մանրամասն հետազոտությունը ցույց է տալիս, որ առանձին շերտերը ուղղակիորեն ամրացված են Si մասնիկի մակերեսին իրենց ծայրերում և զուգահեռ են Si մակերեսին։ Այս լավ ուղղորդված գրաֆենային շերտերը կարող են պահպանել իրենց շերտավոր փաթեթավորման կառուցվածքը նույնիսկ լիթիումացման ընթացքում՝ սահմանային պրոցեսի միջոցով, այդպիսով ապահովելով խելամիտ միջոց Si-ի ծավալային ընդլայնումը հարմարեցնելու համար։ Գրաֆենի աճը փորձվել է Si օքսիդ (SiO2) մակերեսների վրա՝ օգտագործելով CH4 և H2։ Սակայն, այդ պրոցեսներում գրաֆենի աճը շատ ոչ արդյունավետ էր կամ չէր խուսափում SiC-ի առաջացումից։ Ոչ արդյունավետ աճը վերագրվում է SiO2 մակերեսի վրա անբավարար կատալիտիկ կետերի։ Ի հակադրություն, մեր պրոցեսում CO2 ավելացումը ստեղծում է ավելի շատ կատալիտիկ կետեր՝ SiO -ի տեսքով՝ որոշակի դեֆեկտներով։ x   ( ) Gr–Si NP-ի ցածր մանրադիտակային TEM պատկեր։ ( ) Նույն Gr–Si NP-ի ավելի բարձր մանրադիտակային TEM պատկերը  -ի սպիտակ տուփից։ (Մանրատպումներ) Երկու կարմիր տուփերից վերցված գծային պրոֆիլները ցույց են տալիս, որ գրաֆենային շերտերի միջշերտային հեռավորությունը մոտ 3.4 Å է, ինչը լավ համապատասխանում է վան դեր Վալսի փոխազդեցության վրա հիմնված տիպիկ գրաֆենային շերտերին։ ( ) Բարձր մանրադիտակային TEM պատկեր, որը պատկերում է այն ծագումները (կարմիր սլաքներ), որտեղից աճում են առանձին գրաֆենային շերտեր։ ( ) Սխեմատիկ պատկեր, որը ցույց է տալիս գրաֆենային ծածկույթի շերտերի սահմանային գործընթացը, որը կարող է փխրեցնել Si-ի ծավալային ընդլայնումը։ a b a c d SiC-ազատ գրաֆենի աճը հաստատվել է ինչպես զանգվածային, այնպես էլ մեկ մասնիկի մասշտաբային վերլուծություններով։ Si 2  ժապավենի X-ճառագայթային ֆոտոէլեկտրոնային սպեկտրոսկոպիայի (XPS) պրոֆիլները, ինչպես նաև X-ճառագայթային դիֆրակցիայի (XRD) սպեկտրները չեն ցույց տվել SiC-ին համապատասխանող գագաթներ գրաֆենով ծածկված Si (Gr–Si), AC-ծածկված Si (AC–Si) և մաքուր Si համար, ի տարբերություն վերահսկող (SiC–Si) նմուշի, որը սինթեզվել է CH4 և H2 օգտագործելով առանց CO2 եղանակով։ Մյուս կողմից, բարձր անկյունային մութ դաշտի սկանավորող TEM պատկերը ցույց է տվել, 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 կորստի սպեկտրոսկոպիայի (EELS) սպեկտրները, որոնք ստացվել են մասնիկի վրայի բազմաթիվ կետերից, չեն ցույց տվել SiC-ի առաջացումը վկայող որևէ ազդանշան, հաստատելով SiC-ազատ աճը ընթացիկ աճի պրոցեսում։ Նաև, 108 էՎ-ում SiO2 ազդանշաններ հայտնաբերվել են 1 և 2 կետերում ավելի ուժեղ, քան կենտրոնում գտնվող այլ կետերում, ինչը ենթադրում է, որ SiO2 մակերեսը ծառայում է որպես գրաֆենի աճի կատալիտիկ կետեր։ SiO2 մակերեսային շերտերի շարունակական առկայությունը նույնպես հաստատվել է XRD և EELS բնութագրերով։ p   ( ) Si 2  ժապավենի X-ճառագայթային ֆոտոէլեկտրոնային սպեկտրոսկոպիայի սպեկտրները Gr–Si, SiC–Si, AC–Si և մաքուր Si համար։ ( ) Gr–Si NP-ի սկանավորող TEM պատկեր։ ( ) EELS սպեկտրները  -ում նշված կետերի համար։ a p b c b  TEM վերլուծություն In situ Այժմ անդրադառնանք Gr–Si-ի օգտագործմանը որպես LIB-ներում անոդային նյութ։ Gr–Si NP-ների (1 վտ% գրաֆեն) լիթիումացումը մոնիտորինգի ենթարկվեց իրական ժամանակում՝ դրանց ծավալային ընդլայնման ժամանակ՝ օգտագործելով   TEM վերլուծություն։ Փաստացի փորձում, որոշ Gr–Si մասնիկներ տեղադրվեցին ոսկով (Au) ամրացված էլեկտրոդի վրա։ Երկրորդ, բայց շարժական էլեկտրոդը՝ Li/LiO2-ի ծայրով, տեղադրվեց այնպես, որպեսզի հպվեր Gr–Si NP-ներին՝ դրանք լիթիումացնելու համար։ Երկրորդ էլեկտրոդի հետ կապ հաստատվելուց հետո, մասնիկները սկսեցին ուռչել։ Այս գործընթացի ավելի մանրամասն տեսքը կարելի է տեսնել   և   և   և   և   և   և   և   և   և   և   և   և   և   և   և   և   և   և   և   և   և   և   և   և   և   և   և   և   և   և   և   և   և   և   և   և   և   և   և   և   և   և   և   և   և   և   և   և   և   և   և   և   և  in situ h-in-situ-tem-analysis h-in-situ-tem-analysis h-in-situ-tem-analysis h-in-situ-tem-analysis h-in-situ-tem-analysis h-in-situ-tem-analysis h-in-situ-tem-analysis h-in-situ-tem-analysis h-in-situ-tem-analysis h-in-situ-tem-analysis h-in-situ-tem-analysis h-in-situ-tem-analysis h-in-situ-tem-analysis h-in-situ-tem-analysis h-in-situ-tem-analysis h-in-situ-tem-analysis h-in-situ-tem-analysis h-in-situ-tem-analysis h-in-situ-tem-analysis h-in-situ-tem-analysis h-in-situ-tem-analysis h-in-situ-tem-analysis h-in-situ-tem-analysis h-in-situ-tem-analysis h-in-situ-tem-analysis h-in-situ-tem-analysis h-in-situ-tem-analysis h-in-situ-tem-analysis h-in-situ-tem-analysis h-in-situ-tem-analysis h-in-situ-tem-analysis h-in-situ-tem-analysis h-in-situ-tem-analysis h-in-situ-tem-analysis h-in-situ-tem-analysis h-in-situ-tem-analysis h-in-situ-tem-analysis h-in-situ-tem-analysis h-in-situ-tem-analysis h-in-situ-tem-analysis h-in-situ-tem-analysis h-in-situ-tem-analysis h-in-situ-tem-analysis h-in-situ-tem-analysis h-in-situ-tem-analysis h-in-situ-tem-analysis h-in-situ-tem-analysis h-in-situ-tem-analysis h-in-situ-tem-analysis h-in-situ-tem-analysis h-in-situ-tem-analysis h-in-situ-tem-analysis h-in-situ-tem-analysis

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

Այս աուդիոն պատրաստվել է պատմության բնօրինակ լեզվով:

Գրաֆենի բեկումը կարող է EV մարտկոցները դարձնել ավելի երկարատև և ավելի շատ էներգիա պահել

About Author

ՄԵԿՆԱԲԱՆՈՒԹՅՈՒՆՆԵՐ

ԿԱԽՎԵԼ ՏԵԳՍԵՐ

ԱՅՍ ՀՈԴՎԱԾԸ ՆԵՐԿԱՅԱՑՎԵԼ Է Մ

Related Stories

HyperCycle Announces Strategic Split into Two Distinct Operations

HyveDA Secures $50 Million in Pre-Deposits After Symbiotic Mainnet Launch

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

Building AI Sales Roleplay Systems That Actually Work

HyperCycle Announces Strategic Split into Two Distinct Operations

HyveDA Secures $50 Million in Pre-Deposits After Symbiotic Mainnet Launch

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

Building AI Sales Roleplay Systems That Actually Work

Light-Mode

Classic

Newspaper

Minty

Dark-Mode

Neon Noir

Minty

HN StartUps