Lolemba la Graphene Lingapangitse Mabatire a EV Kukhala Motalika ndikuphatikiza Mphamvu Zambiri

ນັກຂຽນ: 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 ບົດຄັດຫຍໍ້ ດ້ວຍຄວາມຈຸສະເພາະທີ່ບໍ່ມີໃຜທຽບໄດ້, ຊິລິຄອນກຳລັງໄດ້ຮັບຄວາມສົນໃຈຢ່າງຈິງຈັງໃນຖານະວັດສະດຸທີ່ໃຊ້ການໄດ້ດີສຳລັບແບັດເຕີຣີລິທຽມໄອອອນລຸ້ນຕໍ່ໄປ. ແນວໃດກໍຕາມ, ການປ່ຽນແປງປະລິມານຂອງຊິລິຄອນໃນລະຫວ່າງຮອບການສາກ/ປົດປ່ອຍໄດ້ເຮັດໃຫ້ຄວາມສາມາດໃນການແຂ່ງຂັນຂອງມັນໃນດ້ານຄວາມໜາແໜ້ນຂອງພະລັງງານປະລິມານ ແລະ ອາຍຸການໃຊ້ງານຫຼຸດລົງ. ໃນທີ່ນີ້, ພວກເຮົາຍັງລາຍງານການເຕີບໂຕຂອງກາຟີນໂດຍກົງເທິງອະນຸພາກຊິລິຄອນ ໂດຍບໍ່ມີການກໍ່ຕົວຂອງຊິລິຄອນຄາໄບ. ຊັ້ນກາຟີນທີ່ຕິດຢູ່ເທິງພື້ນຜິວຊິລິຄອນ ໄດ້ຮັບມືກັບການຂະຫຍາຍຕົວຂອງຊິລິຄອນໂດຍຜ່ານຂະບວນການເລື່ອນລະຫວ່າງຊັ້ນກາຟີນທີ່ຢູ່ຕິດກັນ. ເມື່ອຈັບຄູ່ກັບແບັດເຕີຣີລິທຽມໂຄບອນອອກໄຊດີ (lithium cobalt oxide cathode) ທີ່ໃຊ້ໃນການຄ້າ, ການເຄືອບກາຟີນທີ່ບໍ່ມີຊິລິຄອນຄາໄບ ໄດ້ເຮັດໃຫ້ແບັດເຕີຣີເຕັມຫົວໜ່ວຍບັນລຸຄວາມໜາແໜ້ນຂອງພະລັງງານປະລິມານ 972 ແລະ 700 Wh L−1 ໃນຮອບທຳອິດ ແລະ ຮອບທີ 200, ຕາມລຳດັບ, ເຊິ່ງສູງກວ່າ 1.8 ແລະ 1.5 ເທົ່າຂອງແບັດເຕີຣີລິທຽມໄອອອນທີ່ໃຊ້ໃນການຄ້າໃນປັດຈຸບັນ. ການສັງເກດການນີ້ຊີ້ໃຫ້ເຫັນວ່າໂຄງສ້າງຊັ້ນຂອງກາຟີນສອງມິຕິ ແລະ ການເຊື່ອມໂຍງທີ່ບໍ່ມີຊິລິຄອນຄາໄບກັບຊິລິຄອນ ສາມາດເປັນຕົວແບບໃນການສົ່ງເສີມແຜ່ນຊິລິຄອນໃຫ້ກາຍເປັນເຕັກໂນໂລຍີທີ່ສາມາດນຳໄປໃຊ້ໄດ້ໃນການຄ້າ. ບົດນຳ ຄວາມຈຸສະເພາະທາງທິດສະດີຂອງຊິລິຄອນ (Si) ມີເຖິງເກືອບ 4,000 mAh g−1. ຄ່ານີ້ທີ່ບໍ່ມີໃຜທຽບໄດ້ ໄດ້ກະຕຸ້ນໃຫ້ຊຸມຊົນດ້ານແບັດເຕີຣີລົງທຶນຄົ້ນຄວ້າຢ່າງຫຼວງຫຼາຍ ເພາະວ່າຄວາມຈຸສະເພາະສູງສາມາດເພີ່ມຄວາມໜາແໜ້ນຂອງພະລັງງານຂອງແບັດເຕີຣີລິທຽມໄອອອນ (LIBs) ໄດ້ຢ່າງຫຼວງຫຼາຍ, ແລະ ດ້ວຍເຫດນີ້ ຈຶ່ງນຳເອົາການນຳໃຊ້ LIBs ໃນອະນາຄົດ, ເຊັ່ນ ລົດໄຟຟ້າ, ໃຫ້ກາຍເປັນຈິງ. ໃນທົດສະວັດທີ່ຜ່ານມາ, ໂຄງສ້າງຂົ້ວໄຟຟ້າທີ່ກ້າວໜ້າຫຼາຍຊະນິດ [6-16] ແລະ ການອອກແບບສານຍຶດຕິດ [17-19] ໄດ້ຖືກພັດທະນາຂຶ້ນເພື່ອແກ້ໄຂບັນຫາການຈາງລົງຂອງຄວາມຈຸທີ່ເກີດຈາກການປ່ຽນແປງປະລິມານຂະໜາດໃຫຍ່ຂອງ Si, ເຊິ່ງສົ່ງຜົນໃຫ້ປະສິດທິພາບການໃຊ້ວຽກດີຂຶ້ນຢ່າງຫຼວງຫຼາຍ, ເຖິງແມ່ນວ່າຈະໃຊ້ຫຼາຍພັນຮອບ. ເຖິງວ່າຈະມີຄ່າສະເພາະທີ່ໜ້າສົນໃຈ ແລະ ຄວາມຄືບໜ້າຢ່າງຫຼວງຫຼາຍໃນອາຍຸການໃຊ້ງານ, ແຜ່ນ Si ສ່ວນຫຼາຍທີ່ສະແດງໃຫ້ເຫັນມາເຖິງປັດຈຸບັນ ໄດ້ເນັ້ນໜັກໃສ່ຄວາມຈຸສະເພາະເປັນຫຼັກ ແຕ່ບໍ່ໄດ້ສະເໜີຄວາມຄາດຫວັງທີ່ຄ້າຍຄືກັນໃນຄວາມຈຸປະລິມານຂອງພວກມັນ ເພາະວ່າການອອກແບບແຜ່ນໄຟຟ້າໃນປະຈຸບັນ ອາໄສຊ່ອງຫວ່າງທີ່ຖືກກຳນົດໄວ້ກ່ອນໜ້າເພື່ອນຳເອົາການຂະຫຍາຍຕົວຂອງປະລິມານ Si. ໃນການນຳໃຊ້ LIBs ຫຼາຍຄັ້ງ, ລວມທັງອຸປະກອນເອເລັກໂຕຣນິກແບບພົກພາ, ຄວາມໜາແໜ້ນຂອງພະລັງງານປະລິມານແມ່ນຕົວກຳນົດທີ່ສຳຄັນໃນການກຳນົດປະສິດທິພາບຂອງແບັດເຕີຣີ. ຮ່ວມກັບອາຍຸການໃຊ້ງານທີ່ດ້ອຍກວ່າ, ຄວາມໜາແໜ້ນຂອງພະລັງງານປະລິມານທີ່ຕ່ຳແມ່ນອຸປະສັກສຳຄັນໃນການນຳເອົາແຜ່ນ Si ມາໃຊ້ໃນແບັດເຕີຣີການຄ້າ. ເພື່ອຕອບສະໜອງຄວາມຕ້ອງການທີ່ສຳຄັນນີ້, ເຕັກໂນໂລຍີແຜ່ນ Si ຈຳເປັນຕ້ອງໄດ້ຮັບການທົບທວນຄືນດ້ວຍການອອກແບບແຜ່ນໄຟຟ້າທີ່ແຕກຕ່າງກັນ ເຊິ່ງສະເໜີປະສິດທິພາບການໃຊ້ວຽກທີ່ໝັ້ນຄົງ ໃນຂະນະທີ່ປະລິມານແຜ່ນໄຟຟ້າຖືກຫຼຸດໜ້ອຍລົງ. ເຖິງວ່າຈະມີຮູບແບບ Si ທີ່ຫຼາກຫຼາຍ ແລະ ວັດສະດຸປະສົມຂອງພວກມັນກັບວັດສະດຸອື່ນໆທີ່ນຳໄຟຟ້າໄດ້ໃນປະຈຸບັນ, ແຕ່ສຳລັບການແກ້ໄຂທັນທີສຳລັບການຜະລິດຈິງທີ່ຕ້ອງການການຄວບຄຸມຄຸນນະພາບມາດຕະຖານສູງ, ການສັງເຄາະສ່ວນປະກອບ Si ທີ່ສາມາດໃຊ້ການໄດ້ງ່າຍ ແລະ ຂະຫຍາຍຂອບເຂດໄດ້ແມ່ນສິ່ງສຳຄັນ. ຈາກທັດສະນະຂອງການນຳໃຊ້ຈິງ, ໃນບັນດາຜູ້ສະໝັກທີ່ມີທ່າແຮງຫຼາຍ, ການໃຊ້ເມັດ ຊິລິຄອນນາໂນ (Si NPs) ທີ່ໃຊ້ໃນການຄ້າ ດ້ວຍການເຄືອບພື້ນຜິວທີ່ນຳໄຟຟ້າໄດ້ງ່າຍ ແລະ ມີປະສິດທິພາບຈະເປັນທີ່ຕ້ອງການຢ່າງຍິ່ງ. ວັດສະດຸທີ່ນຳໄຟຟ້າໄດ້ຫຼາຍຊະນິດ, ລວມທັງຄາບອນທີ່ບໍ່ເປັນຮູບ резултат (amorphous carbon - AC), ໄດ້ຖືກສຶກສາເປັນວັດສະດຸເຄືອບສຳລັບແຜ່ນ Si NP. ແນວໃດກໍຕາມ, ສ່ວນຫຼາຍມັນບໍ່ສາມາດສະໜອງປະສິດທິພາບການໃຊ້ວຽກທີ່ໝັ້ນຄົງໃນໄລຍະຍາວໄດ້ ເພາະວ່າວັດສະດຸເຄືອບທີ່ໃຊ້ບໍ່ສາມາດຮັບມືກັບການຂະຫຍາຍຕົວຂອງປະລິມານ Si ແລະ ຜົນອອກມາແມ່ນແຕກຫັກໃນຮອບການໃຊ້ວຽກຊ້ຳໆ. ເພື່ອພະຍາຍາມແກ້ໄຂຂໍ້ຈຳກັດຂອງການເຄືອບທີ່ນຳໄຟຟ້າໄດ້ກ່ອນໜ້າ ແລະ ເພື່ອບັນລຸປະສິດທິພາບການໃຊ້ວຽກທີ່ດີດ້ວຍຄວາມໜາແໜ້ນຂອງພະລັງງານປະລິມານທີ່ສູງຂຶ້ນຢ່າງຫຼວງຫຼາຍ, ໃນການສຶກສານີ້, ພວກເຮົານຳໃຊ້ກາຟີນຫຼາຍຊັ້ນທີ່ເຕີບໂຕໂດຍກົງເທິງພື້ນຜິວ Si ເປັນວັດສະດຸເຄືອບ. ລັກສະນະຊັ້ນສອງມິຕິ (2D) ຂອງກາຟີນສະໜອງການເຮັດວຽກທີ່ເປັນເອກະລັກ ແລະ ມີປະສິດທິພາບຂອງແຜ່ນ Si, ເນື່ອງຈາກກາຟີນຫຼາຍຊັ້ນສາມາດຮັບມືກັບການຂະຫຍາຍຕົວຂອງປະລິມານ Si ໂດຍຜ່ານຂະບວນການເລື່ອນລະຫວ່າງຊັ້ນທີ່ຢູ່ຕິດກັນ ໂດຍບໍ່ຈຳເປັນຕ້ອງມີຊ່ອງຫວ່າງກ່ອນ. ນອກຈາກນີ້, ເມັດ Gr–Si NP ທີ່ເຄືອບດ້ວຍກາຟີນສະແດງໃຫ້ເຫັນ 12.8 S cm−1 ດ້ວຍເນື້ອໃນກາຟີນປະມານ 1 wt% ຜ່ານເຄືອຂ່າຍການໄຫຼທີ່ສູງ. ເພື່ອບັນລຸຈຸດປະສົງນີ້, ພວກເຮົາໄດ້ເອົາຊະນະຄວາມທ້າທາຍໃນການປູກກາຟີນໂດຍກົງເທິງພື້ນຜິວ Si ໂດຍບໍ່ມີການກໍ່ຕົວຂອງ SiC ໂດຍການພັດທະນາຂະບວນການເຄມີຂອງການລະເຫີຍ (CVD) ທີ່ມີສານປະຕິກິຣິຍາອ່ອນແອ. ການກໍ່ຕົວຂອງ SiC ເປັນອັນຕະລາຍໃນການເຮັດວຽກຂອງແຜ່ນ Si ເນື່ອງຈາກ SiC ເປັນຕົວນຳໄຟຟ້າທີ່ບໍ່ດີດ້ວຍຄຸນລັກສະນະຄວາມຜິດພາດຕ່ຳ. ຍິ່ງໄປກວ່ານັ້ນ, SiC ບໍ່ມີປະຕິກິຣິຍາກັບໄອອອນ Li ແລະຜົນອອກມາແມ່ນຂັດຂວາງການໄຫຼຂອງໄອອອນ Li ເຂົ້າໄປໃນໄລຍະ Si. ດ້ວຍການຊ່ວຍເຫຼືອຂອງຂະບວນການເລື່ອນຊັ້ນກາຟີນ ແລະ ການນຳໄຟຟ້າທີ່ດີຂຶ້ນ, Gr–Si NP ທີ່ເຄືອບດ້ວຍກາຟີນໄດ້ບັນລຸຄວາມຈຸປະລິມານ 2,500 mAh cm−3 (ເມື່ອທຽບກັບ 550 mAh cm−3 ຂອງກາຟົນທີ່ໃຊ້ໃນການຄ້າ), ຄ່າສູງທີ່ສຸດໃນບັນດາຄ່າທີ່ລາຍງານມາເຖິງປັດຈຸບັນສຳລັບແຜ່ນໃດກໍຕາມຂອງ LIB ໃນຂະນະທີ່ສະແດງໃຫ້ເຫັນປະສິດທິພາບການໃຊ້ວຽກ ແລະ ຄວາມໄວທີ່ດີເລີດ. ຜົນການຄົ້ນພົບ ການເຕີບໂຕຂອງກາຟີນທີ່ບໍ່ມີ SiC ຢູ່ເທິງ Si ການເຕີບໂຕໂດຍກົງຂອງກາຟີນຄຸນນະພາບສູງເທິງ Si ຜ່ານຂະບວນການ CVD ໄດ້ພິສູດແລ້ວວ່າຍາກ ເພາະວ່າສະພາບການສັງເຄາະກາຟີນທົ່ວໄປຕ້ອງການບັນຍາກາດທີ່ຫຼຸດຜ່ອນເຊິ່ງມີແນວໂນ້ມທີ່ຈະເອົາຊັ້ນອອກໄຊ Si ທີ່ເປັນທຳມະຊາດອອກຈາກພື້ນຜິວ Si, ແລະ ຈາກນັ້ນກໍ່ຂັບເຄື່ອນປະຕິກິລິຍາລະຫວ່າງ Si ແລະ ຜະລິດຕະພັນທີ່ແຕກສະลายຂອງຄາບອນເພື່ອສ້າງ SiC. ວິທີການເລີ່ມຕົ້ນຂອງພວກເຮົາໃນການໃຊ້ມີເທນ (CH4) ເປັນແຫຼ່ງຄາບອນປະສົມກັບ H2 ບໍ່ສາມາດບັນລຸການເຕີບໂຕຂອງກາຟີນເທິງ Si NP ໄດ້ (ຮູບປະກອບເພີ່ມເຕີມ 1), ດັ່ງນັ້ນຈຶ່ງໃຫ້ຜົນເປັນ β-SiC ເທົ່ານັ້ນ (ຮູບປະກອບເພີ່ມເຕີມ 2). ເພື່ອແກ້ໄຂຂໍ້ຈຳກັດນີ້, ພວກເຮົາຍັງໄດ້ລວມເອົາຄາບອນໄດອອກໄຊ (CO2), ເປັນສານປະຕິກິລິຍາອ່ອນແອ, ໃນຂະບວນການ CVD ພ້ອມກັບ CH4 (ເອກະສານອ້າງອີງ). ການລວມ CO2 ໄດ້ຊ່ວຍໃຫ້ສາມາດຫຼີກລ່ຽງການກໍ່ຕົວຂອງ SiC ແລະ ຍັງຫຼຸດອຸນຫະພູມການເຕີບໂຕເມື່ອທຽບກັບການເຕີບໂຕຂອງກາຟີນທີ່ຮູ້ກັນດີເທິງພື້ນຜິວ. ໃນການທົດລອງຂອງພວກເຮົາ, ທີ່ 900 °C, ການເຕີບໂຕຂອງກາຟີນບໍ່ສົມບູນ ຫຼື ບໍ່ເປັນເອກະພາບ (ຮູບປະກອບເພີ່ມເຕີມ 3), ໃນຂະນະທີ່ການເຕີບໂຕຂອງກາຟີນທີ່ 1,100 °C ໄດ້ຜະລິດຊັ້ນອອກໄຊເທິງພື້ນຜິວ Si ທີ່ໜາເກີນໄປສຳລັບການໄຫຼຂອງໄອອອນ Li ທີ່ມີປະສິດທິພາບ (ຮູບປະກອບເພີ່ມເຕີມ 4). ທີ່ອຸນຫະພູມປານກາງ 1,000 °C, 2–10 ຊັ້ນຂອງກາຟີນໄດ້ຖືກສ້າງຂຶ້ນ ດັ່ງທີ່ສະແດງໃນຮູບພາບກ້ອງຈຸລທັດສະນະອີເລັກໂຕຣນ (TEM) (ຮູບ 1a,b) ເຊິ່ງສະແດງໂຄງສ້າງຊັ້ນຢ່າງຊັດເຈນ, ເຊັ່ນດຽວກັບໄລຍະຫ່າງລະຫວ່າງຊັ້ນໃກ້ກັບ 3.4 Å (ຮູບ 1b, ປະກອບ). ການກວດສອບຢ່າງລະອຽດສະແດງໃຫ້ເຫັນວ່າຊັ້ນແຕ່ລະຊັ້ນຖືກຕິດຢູ່ໂດຍກົງກັບພື້ນຜິວອະນຸພາກ Si ທີ່ປາຍຂອງມັນ (ລູກສອນສີແດງໃນຮູບ 1c) ແລະ ຕັ້ງຂະໜານກັບພື້ນຜິວ Si. ຊັ້ນກາຟີນທີ່ຈັດລຽງໄດ້ດີເຫຼົ່ານີ້ ສາມາດຮັກສາໂຄງສ້າງການຊ້ອນຊັ້ນຂອງພວກມັນໄດ້, ເຖິງແມ່ນໃນລະຫວ່າງການລິດທຽມ ຜ່ານຂະບວນການເລື່ອນ (ຮູບ 1d), ດັ່ງນັ້ນຈຶ່ງສະໜອງວິທີການທີ່ສະຫຼາດໃນການຮັບມືກັບການຂະຫຍາຍຕົວຂອງປະລິມານ Si. ການເຕີບໂຕຂອງກາຟີນໄດ້ຖືກພະຍາຍາມເທິງພື້ນຜິວ Si ອອກໄຊ (SiO2) ໂດຍໃຊ້ CH4 ແລະ H2 (ເອກະສານອ້າງອີງ). ແນວໃດກໍຕາມ, ການເຕີບໂຕຂອງກາຟີນໃນຂະບວນການເຫຼົ່ານີ້ມີປະສິດທິພາບຕ່ຳຫຼາຍ ຫຼື ບໍ່ໄດ້ຫຼີກລ່ຽງການກໍ່ຕົວຂອງ SiC. ການເຕີບໂຕທີ່ບໍ່ມີປະສິດທິພາບແມ່ນເນື່ອງມາຈາກຈຸດກົ່ງລັກສະນະບໍ່ພຽງພໍເທິງພື້ນຜິວ SiO2. ກົງກັນຂ້າມ, ໃນຂະບວນການຂອງພວກເຮົາ, ການເພີ່ມ CO2 ໄດ້ສ້າງຈຸດກົ່ງລັກສະນະຫຼາຍຂຶ້ນໃນຮູບແບບຂອງ SiO ດ້ວຍຄວາມຜິດພາດບາງຢ່າງ. x ( ) ຮູບພາບ TEM ທີ່ມີການຂະຫຍາຍໜ້ອຍຂອງ Gr–Si NP. ( ) ຮູບພາບ TEM ທີ່ມີການຂະຫຍາຍຫຼາຍຂຶ້ນສຳລັບ Gr–Si NP ດຽວກັນຈາກກ່ອງສີຂາວໃນ . (ປະກອບ) ເສັ້ນໂປຣໄຟລ໌ຈາກສອງກ່ອງສີແດງຊີ້ບອກວ່າໄລຍະຫ່າງລະຫວ່າງຊັ້ນກາຟີນແມ່ນປະມານ 3.4 Å, ສອດຄ່ອງດີກັບຊັ້ນກາຟີນທົ່ວໄປໂດຍອີງໃສ່ແຮງວັນເດີ້ວาลສ໌. ( ) ຮູບພາບ TEM ທີ່ມີການຂະຫຍາຍສູງເຜີຍໃຫ້ເຫັນແຫຼ່ງກຳເນີດ (ລູກສອນສີແດງ) ທີ່ຊັ້ນກາຟີນແຕ່ລະຊັ້ນເຕີບໂຕ. ( ) ແຜນວາດສະແດງໃຫ້ເຫັນຂະບວນການເລື່ອນຂອງຊັ້ນເຄືອບກາຟີນທີ່ສາມາດສະໜັບສະໜູນການຂະຫຍາຍຕົວຂອງປະລິມານ Si. a b a c d ການເຕີບໂຕຂອງກາຟີນທີ່ບໍ່ມີ SiC ໄດ້ຖືກຢັ້ງຢືນໂດຍການວິເຄາະທັງໃນລະດັບມວນສານ ແລະ ລະດັບອະນຸພາກດຽວ. ໂປຣໄຟລ໌ X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) ໃນແຖບ Si 2 (ຮູບ 2a) ເຊັ່ນດຽວກັນກັບສະເປກ X-ray diffraction (XRD) (ຮູບປະກອບເພີ່ມເຕີມ 2) ບໍ່ໄດ້ສະແດງຈຸດໃດໆ ທີ່ສອດຄ້ອງກັບ SiC ສຳລັບ Gr–Si, AC–Si ແລະ Si ທີ່ບໍ່ໄດ້ຮັບການປຸງແຕ່ງ, ຕ່າງຈາກຕົວຢ່າງຄວບຄຸມ (SiC–Si) ທີ່ສັງເຄາະຜ່ານເສັ້ນທາງທີ່ບໍ່ມີ CO2 ໂດຍໃຊ້ CH4 ແລະ H2. ໃນທາງກົງກັນຂ້າມ, ການຖ່າຍຮູບ SEM ໂດຍໃຊ້ high-angle annular dark field (HAADF) ໄດ້ສະແດງໃຫ້ເຫັນວ່າ Si NP ມີໂຄງສ້າງຫຼັກ-ຫຸ້ມດ້ວຍຫຼັກທີ່ສະຫວ່າງກວ່າ ແລະ ເປືອກຫຸ້ມທີ່ຂ້ອນຂ້າງມືດ ກ່ຽວຂ້ອງກັບຫຼັກ Si ແລະ ການເຄືອບອອກໄຊ (ຮູບ 2b). Electron energy loss spectroscopy (EELS) ທີ່ໄດ້ຮັບຈາກຫຼາຍຈຸດທົ່ວ NP ບໍ່ໄດ້ສະແດງສັນຍານໃດໆ ທີ່ສະທ້ອນເຖິງການກໍ່ຕົວຂອງ SiC, ຢັ້ງຢືນການເຕີບໂຕທີ່ບໍ່ມີ SiC ໃນຂະບວນການເຕີບໂຕໃນປະຈຸບັນ. ນອກຈາກນີ້, ສັນຍານ SiO2 ທີ່ 108 eV ໄດ້ຖືກກວດພົບຢູ່ຈຸດ 1 ແລະ 2 ຫຼາຍກວ່າຈຸດອື່ນໆຢູ່ໃຈກາງ, ຊຶ່ງຊີ້ບອກວ່າພື້ນຜິວ SiO2 ເຮັດໜ້າທີ່ເປັນຈຸດກົ່ງລັກສະນະສຳລັບການເຕີບໂຕຂອງກາຟີນ. ການມີຢູ່ຢ່າງຕໍ່ເນື່ອງຂອງຊັ້ນພື້ນຜິວ SiO2 ໄດ້ຮັບການຢັ້ງຢືນໂດຍ XRD (ຮູບປະກອບເພີ່ມເຕີມ 2) ແລະ ການວິເຄາະ EELS (ຮູບ 2b,c). p ( ) X-ray photoelectron spectroscopy spectra ໃນແຖບ Si 2 ສຳລັບ Gr–Si, SiC–Si, AC–Si ແລະ Si ທີ່ບໍ່ໄດ້ຮັບການປຸງແຕ່ງ. ( ) ຮູບພາບ SEM ທີ່ມີການຂະຫຍາຍສູງຂອງ Gr–Si NP. ( ) EELS spectra ສຳລັບຈຸດທີ່ຊີ້ບອກໃນ . a p b c b ການວິເຄາະ TEM ທີ່ໃຊ້ໃນການທົດລອງ (In situ TEM analysis) ພວກເຮົາຍັງໄດ້ພິຈາລະນາການໃຊ້ Gr–Si ເປັນວັດສະດຸແຜ່ນໃນ LIBs. ການລິດທຽມຂອງ Gr–Si NPs (1 wt% ກາຟີນ) ໄດ້ຖືກຕິດຕາມເວລາຈິງໃນລະຫວ່າງການຂະຫຍາຍຕົວຂອງປະລິມານຂອງມັນໂດຍໃຊ້ການວິເຄາະ TEM ທີ່ໃຊ້ໃນການທົດລອງ [29–32]. ໃນການທົດລອງຕົວຈິງ, ອະນຸພາກ Gr–Si ບາງສ່ວນໄດ້ຖືກວາງລົງເທິງແຜ່ນໄຟຟ້າທີ່ຕິດກັບທອງ (Au). ແຜ່ນໄຟຟ້າທີສອງ, ແຕ່ເຄື່ອນທີ່ໄດ້, ດ້ວຍ Li/LiO2 ທີ່ປາຍໄດ້ຖືກວາງໃຫ້ຕິດຕໍ່ກັບ Gr–Si NPs ເພື່ອລິດທຽມພວກມັນ (ຮູບ 3a). ເມື່ອມີການຕິດຕໍ່ກັບແຜ່ນໄຟຟ້າທີສອງ, ອະນຸພາກເລີ່ມຂະຫຍາຍຕົວ (ຮູບ 3b). ຂໍ້ມູນເພີ່ມເຕີມກ່ຽວກັບຂະບວນການນີ້ສາມາດເຫັນໄດ້ໃນຮູບປະກອບເພີ່ມເຕີມ 5 ແລະ ວິດີໂອເພີ່ມເຕີມ 1–3. ໄດ້ສັງເກດເຫັນໂຄງສ້າງການຂະຫຍາຍຕົວສອງປະເພດ, ຄືອະນຸພາກທີ່ບໍ່ມີຄວາມຜິດພາດ ແລະ ອະນຸພາກທີ່ມີຄວາມຜິດພາດ, ດັ່ງທີ່ໄດ້ເນັ້ນໃສ່ໃນຮູບ 3b,c. ໃນກໍລະນີທີ່ກາຟີນໄດ້ຫຸ້ມອະນຸພາກຢ່າງສົມບູນແລະບໍ່ມີຄວາມຜິດພາດຢ່າງເຫັນໄດ້ຊັດ (ຮູບ 3d), ເສັ້ນຜ່າສູນກາງເພີ່ມຂຶ້ນປະມານ 30% (220% ການຂະຫຍາຍຕົວຂອງປະລິມານ). ເມື່ອສິ້ນສຸດການລິດທຽມ, ໄລຍະຫ່າງລະຫວ່າງຊັ້ນຂອງຊັ້ນກາຟີນໄດ້ເພີ່ມຂຶ້ນເປັນ 3.8 Å, ສະທ້ອນເຖິງການແຊກເຂົ້າຂອງ Li, ແລະ ລັກສະນະຊັ້ນຂອງການເຄືອບກາຟີນໄດ້ຖືກຮັກສາໄວ້ອ້ອມອະນຸພາກ NP (ຮູບ 3d), ຊຶ່ງຊີ້ບອກເຖິງຂະບວນການເລື່ອນລະຫວ່າງຊັ້ນຕາມທີ່ສະແດງໃນຮູບ 3c. ໃນກໍລະນີທີ່ມີບໍລິເວນທີ່ມີຄວາມຜິດພາດ (ເບິ່ງວົງກົມສີຂຽວໃນຮູບ 3a), ເມື່ອຂະຫຍາຍຕົວ, ອະນຸພາກພາຍໃນໄດ້ແຕກແຍກ ແລະ ทะລຸຜ່ານຄວາມຜິດພາດ (ຮູບ 3e). ພຶດຕິກຳການແຕກຫັກທີ່ສັງເກດເຫັນໄດ້ບໍ່ໜ້າຈະມາຈາກຂະໜາດອະນຸພາກ, ເນື່ອງຈາກອະນຸພາກທີ່ຖືກຫຸ້ມມີຂະໜາດໃຫຍ່ກວ່າອະນຸພາກທີ່ແຕກຫັກໃນຮູບ 3 ບໍ່ໄດ້ແຕກຫັກ (ເບິ່ງອະນຸພາກທີ່ຊີ້ບອກໃນເວລາ 0 ແລະ 40 s ໃນຮູບປະກອບເພີ່ມເຕີມ 5). ນອກຈາກນີ້, ການສັງເກດການເມື່ອບໍ່ດົນມານີ້ ຊີ້ໃຫ້ເຫັນວ່າຖ້າບໍ່ໄດ້ຫຸ້ມ, ແມ້ແຕ່ອະນຸພາກ Si ຂະໜາດນ້ອຍ ( 200 nm (ເອກະສານອ້າງອີງ). ( ) Gr–Si NPs ຕິດຢູ່ເທິງພື້ນຜິວຂອງລວດ Au ແລະ ແຜ່ນໄຟຟ້າ Li/LiO2 ທີສອງ. ( ) Gr–Si NPs ດຽວກັນຫຼັງຈາກການລິດທຽມ. ( ) ສະຫຼຸບແຜນວາດຂອງ Gr–Si NPs ທີ່ລິດທຽມສຳລັບການຫຸ້ມກາຟີນທີ່ບໍ່ມີຄວາມຜິດພາດແລະມີຄວາມຜິດພາດ. ( , ) ຮູບພາບ TEM ທີ່ໃກ້ຊິດສຳລັບ ( ) ອະນຸພາກທີ່ບໍ່ມີຄວາມຜິດພາດ (ອັນທີ່ວົງກົມດ້ວຍເສັ້ນສີແດງໃນ ແລະ ) ແລະ ( ) ອະນຸພາກທີ່ມີຄວາມຜິດພາດ (ອັນທີ່ວົງກົມດ້ວຍເສັ້ນສີຟ້າໃນ ແລະ ). EELS spectra ໃນທັງສອງກໍລະນີຢັ້ງຢືນການລິດທຽມ. ເສັ້ນໂປຣໄຟລ໌ຈາກກ່ອງສີແດງໃນທັງສອງກໍລະນີສະແດງໃຫ້ເຫັນໄລຍະຫ່າງລະຫວ່າງຊັ້ນເພີ່ມຂຶ້ນປະມານ 3.8 Å, ສະທ້ອນເຖິງການລິດທຽມເຂົ້າໄປໃນຊ່ອງລະຫວ່າງຊັ້ນກາຟີນ. a b c d e d a b e a b ການວິເຄາະ EELS ພາຍໃນສະຖານທີ່ໃນລະຫວ່າງການລິດທຽມໄດ້ຢັ້ງຢືນການລິດທຽມຂອງ Si ສຳລັບທັງສອງກໍລະນີ ໂດຍຜ່ານຂອບ Li K ທີ່ບໍ່ຊັດເຈນໃກ້ກັບ 55 eV ເຊັ່ນດຽວກັນກັບຂອບ Si L ທີ່ 100 eV (ຮູບ 3d,e; ເອກະສານອ້າງອີງ). ຊັ້ນທີ່ສະແດງຢູ່ເທິງພື້ນຜິວກາຟີນໃນຮູບ 3d ແມ່ນກ່ຽວຂ້ອງກັບການຕົກຄ້າງ Li/Li2O. ໂດຍເນັ້ນໃສ່, ຊັ້ນກາຟີນໄດ້ຮັກສາການເຊື່ອມໂຍງກັບ Si ຜ່ານຮາກທີ່ເຊື່ອມໂລຫະຂອງພວກມັນເທິງພື້ນຜິວ Si, ແລະ ໃນເວລາດຽວກັນ, ຂະບວນການເລື່ອນອະນຸຍາດໃຫ້ການເຄືອບກາຟີນສອງສາມຊັ້ນຮັບມືກັບການຂະຫຍາຍຕົວຂອງປະລິມານ Si. ໃນການທົດລອງ TEM ທີ່ບໍ່ແມ່ນການທົດລອງ (ex situ) ແຍກຕ່າງຫາກກັບແຜ່ນໄຟຟ້າ Gr–Si LIB, ໄດ້ສັງເກດເຫັນວ່າຈຳນວນຊັ້ນກາຟີນສະເລี่ยທີ່ວັດແທກໄດ້ຢູ່ສະຖານທີ່ຕ່າງໆໄດ້ຫຼຸດລົງຈາກ 9.4 ເປັນ 5.6 ຊັ້ນ (ຮູບປະກອບເພີ່ມເຕີມ 6) ຫຼັງຈາກການລິດທຽມຄັ້ງທຳອິດ, ເຊິ່ງຢັ້ງຢືນຄືນອີກເຖິງຂະບວນການເລື່ອນຊັ້ນ. ການຫຸ້ມດ້ວຍກາຟີນ ແລະ ຂະບວນການເລື່ອນຊັ້ນໄດ້ອອກແຮງດັນທີ່ມີຜົນຄ້ຳປະກັນທີ່ຊ່ວຍຮັກສາຄວາມສົມບູນຂອງອະນຸພາກ Si ໃນລະຫວ່າງການຂະຫຍາຍຕົວຂອງປະລິມານ. ແນວໃດກໍຕາມ, ກົນໄກການຄ້ຳປະກັນນີ້ບໍ່ໄດ້ສົ່ງ