
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Mpanoratra: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 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 Abstract Ny silisiôma dia mahazo fiheverana lehibe ho toy ny fitaovana mavitrika ho an'ny anoda amin'ny batterie lithium-ion manaraka taranaka noho ny fahafahan'ny gravimetrika tsy manam-paharoa. Na izany aza, ny fiovan'ny volume lehibe amin'ny silisiôma mandritra ny tsingerin'ny fiampangana sy famoahana dia manalefaka ny fifaninanana eo amin'ny hakitroky ny volom-baringasasy sy ny androm-piainana tsingerina. Eto izahay dia mitatitra fitomboana mivantana ny grafita eo amin'ny nanoparticle silisiôma tsy misy famoronana karbidina silisiôma. Ny sosona grafita miraikitra amin'ny tontolo silisiôma dia mandray ny fanitarana ny volume silisiôma amin'ny alàlan'ny fizotry ny fihodinanana eo amin'ny sosona grafita mifanindran-dàlana. Rehefa ampiarahina amin'ny cathode lithium cobalt oxide ara-barotra, ny coating grafita tsy misy karbidina silisiôma dia mamela ny sela feno hahatratra ny hakitroky ny volom-baringasasy 972 sy 700 Wh l−1 amin'ny tsingerina voalohany sy faha-200, tsirairay avy, 1,8 ary 1,5 heny noho ny an'ny batterie lithium-ion ara-barotra ankehitriny. Ity fanambarana ity dia manoro hevitra fa ny rafitra sosona roa-refy amin'ny grafita sy ny fampidirana azy tsy misy karbidina silisiôma miaraka amin'ny silisiôma dia mety ho toy ny prototype amin'ny fampandrosoana ny anoda silisiôma ho teknolojia azo ampiasaina ara-barotra. Introduction Ny fahafahan'ny gravimetrika teorika ny silisiôma (Si) dia mahatratra efa ho 4.000 mAh g−1. Ity sanda tsy manam-paharoa ity dia nampirisika ny fiaraha-monin'ny bateria mba hampiasa vola be amin'ny fikarohana satria ny fahafahana gravimetrika avo dia ahafahana mampitombo be ny angovo an'ny batterie lithium-ion (LIB) ary noho izany dia hanome fahafahana ny fampiharana ny LIB amin'ny ho avy, toy ny fiara elektrika, ho zava-misy , , , , . Tao anatin'ny folo taona lasa, karazana rafitra electrode mandroso isan-karazany , , , , , , , , , ,  sy ny famolavolana fatorana , ,  dia novolavolaina mba hamahana ny olana momba ny fahatsindry fandrefesana maharitra vokatry ny fiovan'ny volume lehibe amin'ny Si, ka niteraka fahombiazana tsara kokoa amin'ny tsingerina na dia amin'ny tsingerina an'arivony aza . Na dia eo aza ny sandan'ny gravimetrika mampanantena sy ny fandrosoana lehibe eo amin'ny fiainana tsingerina, ny anoda Si maro naseho hatreto dia nifantoka voalohany tamin'ny fahafahana gravimetrika fa tsy nanome fanantenana mitovy amin'ny fahafahan'ny volom-baringasasy satria ny famolavolana electrode efa misy dia miankina amin'ny habakabaka efa voafaritra mialoha mba handraisana ny fanitarana ny volume Si. Amin'ny fampiharana LIB maro anisan'izany ny elektronika azo entina, na izany aza, ny hakitroky ny angovo volom-baringasasy dia masontsivana lehibe amin'ny famantarana ny fahombiazan'ny batterie. Miaraka amin'ny fiainana tsingerina somary ambany, ny hakitroky ny volom-baringasasy malemy dia sakana lehibe amin'ny fampidirana ny anoda Si amin'ny sela ara-barotra. Mba hahatratrarana ity fitakiana lehibe ity, ny teknolojia anoda Si dia tokony hojerena indray amin'ny famolavolana electrode hafa izay manolotra fahombiazana tsara amin'ny tsingerina raha toa ka kely ny haben'ny electrode. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 11 Na dia misy karazana morphologie Si sy ny composite misy azy ireo miaraka amin'ny fitaovana mpitarika hafa ankehitriny aza, ho an'ny vahaolana avy hatrany amin'ny famokarana tena izy izay mitaky fanaraha-maso kalitao avo lenta, dia ilaina ny fanamboarana mora sy azo ampitomboina ny singa Si mavitrika. Raha jerena amin'ny fampiharana azo ampiharina, eo amin'ny kandidà marobe azo atao, ny fampiasana nanoparticle silisiôma (NP) ara-barotra miaraka amin'ny coating ambonin'ny tany mora sy mahomby dia tena tiana. Ny fitaovana mpitarika isan-karazany ao anatin'izany ny karbôna amorphous (AC) dia nandinika ho fitaovana coating ho an'ny anoda Si NP , , . Na izany aza, ny ankamaroany dia tsy nahomby tamin'ny fanomezana fahombiazana tsara amin'ny tsingerina maharitra satria ny fitaovana coating ampiharina dia tsy afaka mandray ny fanitarana ny volume Si ary vao mainka triatra mandritra ny tsingerina miverimberina. 8 20 21 Mba hamahana ny fetran'ny coatings mpitarika teo aloha ary koa mba hahazoana fahombiazana tsara amin'ny tsingerina miaraka amin'ny hakitroky ny angovo volom-baringasasy avo kokoa, amin'ity fianarana ity, dia mampiasa grafita multilayer izahay nambolena mivantana teo ambonin'ny tontolo silisiôma ho toy ny fitaovana coating. Ny toetra sosona roa-refy (2D) amin'ny grafita dia manome fiasa tokana sy mahomby amin'ny anoda Si satria ny grafita multilayer dia afaka mandray ny fanitarana ny volume Si amin'ny alàlan'ny fizotry ny fihodinanana eo amin'ny sosona mifanindran-dàlana raha tsy mila habakabaka mialoha ao amin'ny electrode vita. Ary koa, ny pellet Gr-Si NP voarakotra grafita dia mampiseho 12,8 S sm−1 amin'ny votoatin'ny grafita 1 wt% amin'ny alàlan'ny tambazotra percolation avo. Ho an'ity tanjona ity, dia resy ny fanamby amin'ny fambolena grafita mivantana teo ambonin'ny tontolo Si tsy misy famoronana karbidina silisiôma (SiC) amin'ny alàlan'ny famolavolana fizotran-javatra deposition simika (CVD) izay ahitana oxidant malefaka. Ny famoronana SiC dia maty amin'ny fandidiana anoda Si satria ny SiC dia insulator elektrika miaraka amin'ny toetra kilema mahantra. Fanampin'izany, ny SiC dia tsy mihetsika amin'ny fampifangaroana amin'ny Li ions ary noho izany dia manakana ny fidirana Li ion ao amin'ny dingana Si. Miaraka amin'ny fanampian'ny fizotry ny fihodinanana eo amin'ny sosona grafita sy ny conductivity nohatsaraina, ny Gr-Si NP voarakotra grafita dia mahatratra fahafahana volom-baringasasy 2.500 mAh cm−3 (vs 550 mAh cm−3 an'ny grafitika ara-barotra), ny sandany avo indrindra teo ho eo ankehitriny ho an'ny anoda LIB rehetra raha mbola mampiseho fahombiazana tsara amin'ny tsingerina sy ny tahan'ny hafainganam-pandeha. Results Fitomboana grafita tsy misy SiC teo ambonin'ny Si Ny fitomboana mivantana ny grafita avo lenta teo ambonin'ny Si tamin'ny alàlan'ny fizotran-javatra CVD dia nanjary sarotra  satria ny fepetra fambolena grafita mahazatra dia mitaky tontolo mampihena izay mirona hanala ny sosona oxide Si voajanahary teo ambonin'ny tontolo Si, ary avy eo dia miteraka fihetsika eo amin'ny Si sy ireo precursor karbôna simba mba hamoronana SiC . Ny fanandramanay voalohany tamin'ny fampiasana methane (CH4) ho toy ny precursor karbôna miaraka amin'ny H2 dia tsy nahavita fitomboana grafita teo ambonin'ny Si NP ( ), ka vao nahazo β-SiC ihany ( ). Mba handresena ity fetra ity, dia nampidiranay ny karbôna diôksida (CO2), oxidant malefaka, ao anatin'ny fizotran-javatra CVD miaraka amin'ny CH4 (refs  ,  ). Ny fampidirana CO2 dia mamela ny fisorohana ny famoronana SiC ary koa mampihena ny mari-pana fitomboana raha ampitahaina amin'ny fitomboana grafita fantatra tsara teo ambonin'ny tontolo . Tao anatin'ny andrana nataonay, tamin'ny 900 °C, ny fitomboana grafita dia tsy tanteraka na tsy mirindra ( ), raha ny fitomboana grafita tamin'ny 1.100 °C kosa dia namorona sosona oxide teo ambonin'ny tontolo Si izay matevina loatra ho an'ny fidirana Li ion mahomby ( ). Tamin'ny mari-pana antonony 1.000 °C, sosona grafita 2–10 no niforona araka ny asehon'ny sary TEM (sary TEM) ( ) mampiseho mazava ny rafitra sosona ary koa ny elanelan-tsosona manodidina ny 3,4 Å ( , inset). Ny fanadihadiana akaiky kokoa dia manondro fa ny sosona tsirairay dia miraikitra mivantana amin'ny tontolon'ny silisiôma amin'ny tendrony (z Arrow mena amin'ny  ) ary mifanindran-dàlana amin'ny tontolo silisiôma. Ireo sosona grafita voalamina tsara ireo dia afaka mitazona ny fananganana sosonany na dia mandritra ny lithiation amin'ny alàlan'ny fizotry ny fihodinanana aza ( ), ka manome fomba mahay mandray ny fanitarana ny volume Si. Nisy fiezahana ny fitomboan'ny grafita teo ambonin'ny tontolo silisiôma diôksida (SiO2) tamin'ny fampiasana CH4 sy H2 (refs  , ). Na izany aza, ny fitomboan'ny grafita tamin'ireo fizotran-javatra ireo dia tsy nahomby na tsy nisy ny famoronana SiC. Ny fitomboana tsy nahomby dia vokatry ny toerana catalytic tsy ampy teo ambonin'ny tontolo SiO2. Mifanohitra amin'izany kosa, tao anatin'ny fizotran-javatra nataonay, ny fampidirana CO2 dia mamorona toerana catalytic bebe kokoa amin'ny endrika SiO  miaraka amin'ny kilema sasany. 22 23 Supplementary Fig. 1 Supplementary Fig. 2 24 25 23 Supplementary Fig. 3 Supplementary Fig. 4 Fig. 1a,b Fig. 1b Fig. 1c Fig. 1d 26 27 x   ( ) Sary TEM malalaka amin'ny Gr–Si NP. ( ) Sary TEM avo kokoa ho an'ny Gr–Si NP mitovy avy ao anaty boaty fotsy amin'ny  . (Insets) Ny tsipika momba ny tsipika avy amin'ny boaty mena roa dia manondro fa ny elanelan-tsosona eo amin'ny sosona grafita dia ~3.4 Å, mifanaraka tsara amin'ny an'ny sosona grafita mahazatra mifototra amin'ny fifandraisan'ny van der Waals. ( ) Sary TEM avo lenta mampiseho ny fiaviany (z Arrow mena) izay nivoahan'ny sosona grafita tsirairay. ( ) Famaritana schematic mampiseho ny fizotry ny fihodinanana ny sosona coating grafita izay afaka manamaivana ny fanitarana ny volume Si. a b a c d Ny fitomboana grafita tsy misy SiC dia voamarina tamin'ny alàlan'ny famakafakana miandalana ny marobe sy ny sela tsirairay. Ny mombamomba ny X-ray photoelectron spectroscopy amin'ny feo Si 2  ( ) ary koa ny spektran'ny X-ray diffraction (XRD) ( ) dia tsy mampiseho fihetsika mifanaraka amin'ny SiC ho an'ny silisiôma voarakotra grafita (Gr–Si), silisiôma voarakotra AC (AC–Si) ary silisiôma voalohany, mifanohitra amin'ny santionany mpanara-maso (SiC–Si) novolavolaina tamin'ny alàlan'ny fomba tsy misy CO2 tamin'ny fampiasana CH4 sy H2. Etsy ankilany, ny sary TEM scanning amin'ny fampiasana high-angle annular dark field dia nampiseho fa ny Si NP dia manana rafitra core-shell miaraka amin'ny core mamirapiratra sy shell maizina kokoa mifandraika amin'ny Si core sy coating oxide ( ). Ny spektran'ny Electron energy loss spectroscopy (EELS) ( ) azo avy amin'ny toerana maro manerana ny NP dia tsy nampiseho fihetsika mampiseho ny famoronana SiC , manamafy ny fitomboana tsy misy SiC amin'ny fizotran-javatra fitomboana ankehitriny. Hita ihany koa ny fihetsika SiO2 amin'ny 108 eV teo amin'ny toerana 1 sy 2 noho ny hafa, izay manondro fa ny tontolon'ny SiO2 dia manompo ho toerana catalytic ho an'ny fitomboan'ny grafita. Ny fisian'ny sosona surface SiO2 dia voamarina ihany koa tamin'ny XRD ( ) sy ny EELS ( ) characterization. p Fig. 2a Supplementary Fig. 2 Fig. 2b Fig. 2c 28 Supplementary Fig. 2 Fig. 2b,c   ( ) X-ray photoelectron spectroscopy spectra amin'ny feo Si 2  ho an'ny Gr–Si, SiC–Si, AC–Si ary Si voalohany. ( ) Sary TEM scanning ny Gr–Si NP. ( ) EELS spectra ho an'ny toerana voalaza ao amin'ny  . a p b c b Famakafakana TEM mivantana Heverinay ankehitriny ny fampiasana Gr–Si ho toy ny fitaovana anode amin'ny LIB. Ny lithiation ny Gr–Si NP (1 wt% grafita) dia notandremana tamin'ny fotoana tena izy nandritra ny fanitarana ny volony tamin'ny fampiasana   TEM analysis , , , . Tamin'ny tena andrana, ny sasany amin'ny Gr–Si particle dia napetraka teo amin'ny electrode miraikitra amin'ny volamena (Au). Ny electrode faharoa, fa azo mihetsika, miaraka amin'ny Li/LiO2 eo amin'ny tendrony dia napetraka mba hikasika ny Gr–Si NP mba hanao lithiation azy ireo ( ). Rehefa nisy ny fifandraisana tamin'ny electrode faharoa, dia nanomboka niha-lehibe ny particle ( ). Ny antsipiriany bebe kokoa momba ity fizotran-javatra ity dia azo jerena ao amin'ny   sy  . Karazana fanitarana roa no natsangana, dia ny particle tsy misy kilema sy ny particle misy kilema araka ny naseho tao amin'ny  . Amin'ny tranga izay ny grafita dia manarona tanteraka ny particle ary tsy misy kilema miharihary ( ), ny sava-lalana dia nitombo tamin'ny ~30% (220% fanitarana volom-baringasasy). Amin'ny faran'ny lithiation, ny elanelan-tsosona ny sosona grafita dia nitombo ho 3,8 Å mampiseho ny Li intercalation , ary ny toetra sosona ny coating graphitic dia voatahiry manerana ny NP ( ), manondro fizotran-javatra fihodinanana eo amin'ny sosona araka ny asehon'ny  . Amin'ny tranga misy faritra simba (jereo ny faribolana maitso ao amin'ny  ), rehefa niha-lehibe, ny particle anatiny dia vaky ary triatra tamin'ny kilema ( ). Ny fihetsiky ny triatra hita dia tsy mety vokatry ny haben'ny particle, satria ny particle voarakotra izay lehibe kokoa noho ny vaky tao amin'ny   dia tsy triatra (jereo ireo particle voalaza amin'ny 0 sy 40 s ao amin'ny  ). Ary koa, ny fanamarihana vao haingana  dia manondro fa raha tsy voarakotra, na dia ny particle silisiôma kely kokoa (< 50 nm) aza dia mety triatra noho ny fifandanjana Li concentration ao anatin'ny particle izay mety hiteraka adin-tsaina lehibe. Raha ny tena izy, ny haben'ny kilema amin'ny triatra ny particle Si dia miankina amin'ny tranga, ary mifandray amin'ny fahombiazan'ny famoahana ny adin-tsaina nateraky ny fanitarana ny volume. Ny haben'ny kilema dia mety hahatratra > 200 nm (ref.  ). in situ 29 30 31 32 Fig. 3a Fig. 3b Supplementary Fig. 5 Supplementary Movies 1–3 Fig. 3b,c Fig. 3d 33 Fig. 3d Fig. 3c Fig. 3a Fig. 3e Fig. 3 Supplementary Fig. 5 34 35   ( ) Gr–Si NP miraikitra amin'ny tontolon'ny Au tariby sy electrode Li/LiO2 faharoa. ( ) Gr–Si NP mitovy taorian'ny lithiation. ( ) Famintinana schematic ny Gr–Si NP lithiated ho an'ny fantsakana tsy misy kilema sy misy kilema. ( , ) Sary TEM akaiky ho an'ny ( ) particle tsy misy kilema (ilay voalohany voalohany tamin'ny tsipika mena ao amin'ny   sy  ) ary ( ) particle simba (ilay voalohany voalohany tamin'ny tsipika manga ao amin'ny   sy  ). Ny EELS spectra amin'ny tranga roa dia manamafy ny lithiation. Ny tsipika momba ny tsipika avy amin'ny boaty mena amin'ny tranga roa dia mampiseho elanelan-tsosona nitombo ny ca. 3,8 Å, mampiseho ny lithiation ao amin'ny habakabaka sosona grafita. a b c d e d a b e a b Ny famakafakana EELS eo an-toerana mandritra ny lithiation dia manamarina ny lithiation ny Si amin'ny tranga roa tamin'ny alàlan'ny Li  -edge manjavozavo eo akaikin'ny 55 eV ary koa ny Si  -edge amin'ny 100 eV ( ; ref.  ). Ny sosona aseho eo ambonin'ny grafita ao amin'ny   dia vokatry ny sisa tavela Li/Li2O. Amin'ny ankapobeny, ny sosona grafita dia mitazona ny fampidirana miaraka amin'ny Si amin'ny alàlan'ny fakany simika miraikitra amin'ny tontolon'ny Si, ary miaraka amin'izay koa, ny fizotry ny fihodinanana dia mamela ny coating grafita sosona vitsivitsy handraisana ny fanitarana ny volume Si. Tao anatin'ny andrana TEM   mihitsy miaraka amin'ny electrode Gr–Si LIB, dia nisy ny fanamarihana fa ny salan'isan'ny sosona grafita refesina amin'ny toerana samihafa dia nihena avy amin'ny 9,4 ho 5,6 sosona ( ) taorian'ny lithiation voalohany, manamafy indray ny fizotry ny fihodinanana eo anelanelan'ny sosona. K L Fig. 3d,e 36 Fig. 3d ex situ Supplementary Fig. 6 Ny fantsakana grafita sy ny fizotry ny fihodinanana eo anelanelan'ny sosona dia miteraka hery manenjana izay manampy amin'ny fitazonana ny fahamendrehan'ny particle Si mandritra ny fanitarana ny volume. Na izany aza, ity mekanisma fanenjanana ity dia tsy toa misy fiantraikany amin'ny fidirana Li, satria mahazo fahafahana manokana tsara amin'ny fandrefesana elektrochemical. Tsara ihany koa ny manamarika fa ny fanitarana ny volume ny particle dia, amin'ny ankapobeny, mitovy amin'ny zoro rehetra na dia ny teboka fifandraisana amin'ny electrode faharoa aza dia voafetra. Izany dia manasongadina ny fironan'ny sosona grafita amin'ny fidirana Li ion homogenous ao amin'ny Si core (jereo ny tsipika mena sy volom-boasary ao amin'ny  ). Ny   famakafakana dia manondro ihany koa fa ny fidirana Li amin'ny alàlan'ny sosona grafita dia haingana tokoa, mifanaraka amin'ny fianarana teo aloha Fig. 3a,b in situ

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

Ity horonam-peo ity dia novokarina tamin'ny fiteny niandohan'ny tantara!

Fiaran-kevitra Graphene iray mety haharitra ela kokoa ny bateria EV ary hitahiry angovo bebe kokoa

About Author

COMMENTS

HANG TAGS

ITY ARTICLE ITY NO NARESAKA TAMIN'NY

Related Stories

Light-Mode

Classic

Newspaper

Minty

Dark-Mode

Neon Noir

Minty

HN StartUps