د ګرافین بریا کولی شي د EV بیټرۍ اوږدې کړي او ډیر انرژي ذخیره کړي.

```html لیکوالان: 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 لنډیز سیلیکون د راتلونکي نسل لیتیم-آیون بیټرۍ انودونو لپاره د فعال موادو په توګه د پام وړ پاملرنه ترلاسه کوي ځکه چې د دې نه پرتله کیدونکې ګرویټریک ظرفیت لري. په هرصورت، د چارج-– ډیسچارج دورو په جریان کې د سیلیکون لوی حجم بدلون د حجمي انرژي کثافت او د دورې ژوند کې سیالي کموي. دلته موږ د سیلیکون نانو ذراتو باندې مستقیم ګرافین وده راپور کوو پرته له سیلیکون کاربایډ له جوړیدو څخه. د سیلیکون سطحې ته ټینګ شوي ګرافین طبقې د ګاونډیو ګرافین طبقو ترمنځ د سلایډینګ پروسې له لارې د سیلیکون حجم پراخمېدو سره تطابق کوي. کله چې د سوداګریز لیتیم کوبالټ آکسيډ کیتوډ سره جوړه شي، د سیلیکون کاربایډ څخه پاک ګرافین کوټینګ اجازه ورکوي چې بشپړ حجره په لومړي او 200م دور کې په ترتیب سره 972 او 700 Wh l−1 حجمي انرژي کثافت ته ورسیږي، چې دا د اوسنیو سوداګریزو لیتیم-آیون بیټرۍ څخه 1.8 او 1.5 چنده لوړ دي. دا مشاهده وړاندیز کوي چې د ګرافین دوه اړخیزه طبقه لرونکې جوړښت او د سیلیکون سره د دې کاربایډ له جوړیدو پرته ادغام کولی شي د سیلیکون انودونو پرمختګ سوداګریزې وړ ټیکنالوژۍ ته د نمونې په توګه خدمت وکړي. پېژندنه د سیلیکون (Si) تیوریکي ګرویټریک ظرفیت تقریبا 4,000 mAh g−1 ته رسېږي. دا نه پرتله کیدونکې ارزښت د بیټرۍ ټولنې هڅولې ترڅو د پام وړ څیړنې هڅې پانګونه کړي ځکه چې لوړ ګرویټریک ظرفیت د لیتیم-آیون بیټرۍ (LIBs) د انرژي کثافت د پام وړ زیاتولو توان لري، او له دې امله د راتلونکي LIB غوښتنلیکونه، لکه بریښنایی وسایط، واقعیت ته راوړي ، ، ، ، . په تیره لسیزه کې، د مختلفو پرمختللو الکترود جوړښتونو ، ، ، ، ، ، ، ، ، ، او بانډر ډیزاینونو ، ، د Si لوی حجم بدلون څخه رامینځته شوي د ظرفیت د کمښت مزمنو ستونزو حلولو لپاره رامینځته شوي، حتی د زرګونو دورو په اوږدو کې د پام وړ ښه شوي سایکل چلولو فعالیت پایله لري . د خورا ښه ګرویټریک ارزښت او د سایکل ژوند کې د پام وړ پرمختګ سره سره، تر نن ورځې پورې ډیری Si انودونه په لومړي سر کې د ګرویټریک ظرفیت باندې تمرکز کړی مګر د حجمي ظرفیت کې ورته ژمنه ندي وړاندې کړې ځکه چې موجود الکترود ډیزاینونه د Si د حجم پراخېدو لپاره د دمخه تعریف شوي خلاص ځای پورې اړه لري. په ډیری LIB غوښتنلیکونو کې چې پکې پورټ ایبل الکترونیک شامل دي، په هرصورت، حجمي انرژي کثافت د بیټرۍ فعالیت ټاکلو کې یوه مهمه پارامتر ده. د نسبتاً کم سایکل ژوند سره یوځای، ضعیف حجمي انرژي کثافت اوس مهال د Si انودونو سوداګریزو حجرو ته د پلي کولو کې یوه اصلي خنډ دی. د دې مهمې غوښتنې پوره کولو لپاره، د Si انود ټیکنالوژۍ ته اړتیا ده چې د مختلفو الکترود ډیزاینونو سره بیا وکتل شي چې د الکترود حجم کمیدو سره ثابت سایکل چلولو فعالیت وړاندې کوي. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 11 که څه هم مختلف Si مورفولوژي او د دوی مرکبات له نورو کنډکټیو موادو سره اوس مهال شتون لري، د حقیقي تولید لپاره سمدستي حل په توګه چې د لوړ معیار کیفیت کنټرول ته اړتیا لري، د فعال Si اجزاوو اسانه او د پیمانې وړ ترکیب خورا مهم دی. د عملي غوښتنلیک له نظره، د ډیری وړ نوماندانو څخه، د ساده او مؤثره کنډکټیو سطح کوټینګ سره د سوداګریزو Si نانو ذراتو (NPs) کارول به خورا مطلوب وي. مختلف کنډکټیو مواد چې پکې امورفس کاربن (AC) شامل دي د Si NP انودونو لپاره د کوټینګ موادو په توګه تحقیق شوي ، ، . په هرصورت، له دوی څخه ډیری یې د ثابت اوږدمهاله سایکل چلولو فعالیت وړاندې کولو کې پاتې راغلي ځکه چې پلي شوي کوټینګ مواد د Si د حجم پراخېدو سره تطابق کولو توان نلري او په پایله کې په تکراري دورو کې درز کوي. 8 20 21 د پخوانیو کنډکټیو کوټینګونو محدودیتونو د حل کولو او همدارنګه د پام وړ لوړ حجمي انرژي کثافت سره ښه سایکل چلولو فعالیت ترلاسه کولو په هڅه کې، پدې مطالعه کې، موږ د Si سطحې باندې مستقیم وده شوي څو طبقو ګرافین د کوټینګ موادو په توګه کاروو. د ګرافین دوه اړخیزه (2D) طبقه لرونکې ځانګړتیا د Si انودونو یو ځانګړی او مؤثره عملیات چمتو کوي ځکه چې څو طبقې ګرافین د مخکیني وخت لپاره د خلاص ځای چمتو کولو اړتیا پرته د پرتونو د سلایډ کولو پروسې له لارې د Si حجم پراخېدو سره تطابق کولی شي. په درشل کې. همدا رنګه، د ګرافین کوټ شوی Si NP پیلټ د 1 wt% ګرافین په حاشیوي مینځپانګه کې د 12.8 S cm−1 له لارې د لوړ پرکولیشن شبکې له لارې ښیي. د دې هدف لپاره، موږ د Si کاربایډ (SiC) له جوړیدو پرته د Si سطحو باندې د ګرافین مستقیم ودې ننګونې ته بریالي کیږو د کیمیاوي بخار تخفیف (CVD) پروسې په واسطه چې یو نرم آکسيډایزر پکې شامل دی. د SiC له جوړیدو څخه مخنیوی د Si انود عملیاتو لپاره وژونکی دی ځکه چې SiC یو بریښنایی انسولټر دی چې د خرابو نیمګړتیاوو ځانګړتیاوې لري. سربیره پردې، SiC په کیمیاوي ډول د Li آئنونو سره د عکس العمل لپاره غیر فعال دی او په پایله کې د Si فیز ته د Li آئن difffusion مخه نیسي. د ګرافین انټرلییر سلایډینګ پروسې او د ښه شوي کنډکټیویت په مرسته، د ګرافین کوټ شوی Si NPs د 2,500 mAh cm−3 حجمي ظرفیت ته رسېږي (د سوداګریزو ګرافایټ 550 mAh cm−3 په مقابل کې)، تر نن ورځې پورې د هر LIB انود لپاره ترټولو لوړ ارزښت په داسې حال کې چې غوره سایکل او نرخ فعالیت ښیې. پایلې د Si څخه پاک ګرافین وده په Si باندې د CVD پروسې له لارې په Si باندې د لوړ کیفیت ګرافین مستقیم وده لا دمخه ستونزمنه ثابته شوې ځکه چې معمول ګرافین ترکیب شرایطو ته د کمولو وړ اتموسفیر ته اړتیا لري چې معمولا د Si سطحې څخه اصلي Si آکسيډایډ طبقه لرې کوي، او بیا د Si او منحل شوي کاربن له مخکینۍ برخې ترمنځ عکس العمل پیلوي ترڅو SiC جوړ کړي . زموږ لومړنۍ تګلاره چې میتیین (CH4) د کاربن مخکینۍ برخې په توګه د H2 سره ګډ کارول کیږي په حقیقت کې د Si NPs باندې د ګرافین وده ترلاسه کولو کې پاتې راغله ( )، په دې توګه یوازې β-SiC تولیدوي ( ). د دې محدودیت څخه د خلاصون لپاره، موږ کاربن ډای اکسایډ (CO2) شامل کړ، یو نرم آکسيډایزر، په CVD پروسې کې د CH4 سره یوځای (مراجعې ، ). د CO2 شاملول اجازه ورکوي چې د SiC له جوړیدو څخه مخنیوی وشي او د سطحې په ښه پیژندل شوي ګرافین ودې په پرتله د ودې تودوخه هم ټیټه کړي . زموږ په تجربه کې، په 900 °C کې، د ګرافین وده بشپړه یا ناهمغږي وه ( )، پداسې حال کې چې په 1,100 °C کې ګرافین وده د Si سطحې باندې د آکسيډ پرتونه تولید کړل چې د مؤثره Li آئن difffusion لپاره خورا ضخیم وو ( ). په 1,000 °C کې په یوه منځنۍ تودوخه کې، 2-10 طبقې ګرافین جوړ شوي لکه څنګه چې د لیږدونکي الکترون مایکروسکوپ (TEM) عکسونو کې ښودل شوي ( ) په روښانه ډول د طبقې جوړښت او د 3.4 Å شاوخوا د طبقې واټن ښیې ( ، داخل). نږدې تفتیش په ګوته کوي چې انفرادي طبقې په خپلو پایو (په کې سور تیرونه) په مستقیم ډول د Si ذراتو سطحې ته ټینګ شوي او د Si سطحې سره موازي دي. دا ښه تنظیم شوي ګرافین طبقې د فعالیدو په جریان کې خپله طبقه لرونکې سټیکینګ جوړښت ساتلی شي د پرتونو ترمنځ د سلایډ کولو پروسې له لارې ( )، په دې توګه د Si د حجم پراخېدو سره د تطابق لپاره یوه هوښیاره وسیله چمتو کوي. د ګرافین وده د Si ډای آکسيډ (SiO2) سطحو باندې د CH4 او H2 په کارولو سره هڅه شوې (مراجعې ، ). په هرصورت، په دې پروسو کې د ګرافین وده خورا غیر فعاله وه یا د SiC له جوړیدو څخه مخنیوی نه کوي. غیر فعاله وده د SiO2 سطحې باندې د کافي کتلیټیک سایټونو نشتوالي ته منسوبه کیږي. په مقابل کې، زموږ په پروسه کې، د CO2 اضافه کول د SiO د نیمګړتیاوو په بڼه ډیر کتلیټیک سایټونه تولیدوي. 22 23 ملحقات Fig. 1 ملحقات Fig. 2 24 25 23 ملحقات Fig. 3 ملحقات Fig. 4 Fig. 1a,b Fig. 1b Fig. 1c Fig. 1d 26 27 x ( ) د Gr–Si NP یوه ټیټه لوړتیا TEM عکس. ( ) د ورته Gr–Si NP لوړ لوړتیا TEM عکس له کې له سپینې بکس څخه. (داخلونه) له دوه سور بکسونو څخه د کرښې پروفایلونه ښیې چې د ګرافین طبقو ترمنځ واټن له 3.4 Å څخه کم دی، کوم چې د وان ډیر والز تعامل پراساس د عادي ګرافین طبقو سره په ښه توافق کې دی. ( ) د لوړ لوړتیا TEM عکس چې د هغو ریښو (سور تیرونه) ښیې له کوم څخه چې انفرادي ګرافین طبقې وده کوي. ( ) یو سکيميټیک روښانه کول د ګرافین کوټینګ طبقو د سلایډ کولو پروسه ښیې چې کولی شي د Si حجم پراخول بفر کړي. a b a c d د SiC له جوړیدو څخه پاک ګرافین وده د بلک سکیل او واحد ذراتو پیمانه تحلیلونو لخوا تایید شوې. د Si 2p بانډ ( ) کې د ایکس رې فوتو الیکترون سپیکٹروسکوپي پروفایلونه او همدارنګه د ایکس رې ډیفراکشن (XRD) سپیکٹرا ( ) د ګرافین کوټ شوي Si (Gr–Si)، AC-کوټ شوي Si (AC–Si) او خالص Si لپاره د SiC سره مطابقت لرونکي هیڅ چوکۍ نه ښیې، د CO2- پاکې لارې په واسطه له CH4 او H2 څخه جوړ شوي کنټرول (SiC–Si) نمونې سره په مخالفت کې. له بلې خوا، د لوړ زاویه دوامداره تیاره ساحې (HAADF) په کارولو سره د سکینینګ TEM امیجینګ ښودلې چې Si NPs د روښانه کور او یو پتلی نسبتاً تیاره شیل سره دانه—شیل جوړښت لري چې د Si کور او یو آکسيډ کوټینګ ته منسوب کیږي ( ). د الیکترون انرژي له لاسه ورکولو سپیکٹروسکوپي (EELS) سپیکٹرا ( ) چې د NP په اوږدو کې له څو نقطو څخه ترلاسه شوي دي د SiC له جوړیدو څخه منعکس کیدونکي هیڅ سیګنال نه ښیې ، د اوسني ودې پروسې کې د SiC له جوړیدو څخه پاکه وده تاییدوي. همدارنګه، په 108 eV کې د SiO2 سیګنالونه په 1 او 2 نقطو کې د مرکز په نورو نقطو څخه ډیر قوي کشف شوي، چې دا په ګوته کوي چې SiO2 سطحه د ګرافین ودې لپاره کتلیټیک سایټونو په توګه کار کوي. د SiO2 سطحي طبقو دوامداره شتون هم د XRD ( ) او EELS ( ) ځانګړتیاوو لخوا تایید شوی. Fig. 2a ملحقات Fig. 2 Fig. 2b Fig. 2c 28 ملحقات Fig. 2 Fig. 2b,c ( ) د Gr–Si، SiC–Si، AC–Si او خالص Si لپاره د Si 2p بانډ کې د ایکس رې فوتو الیکترون سپیکٹروسکوپي سپیکٹرا. ( ) د Gr–Si NP یوه سکینینګ TEM عکس. ( ) په کې په نښه شوي نقطو لپاره EELS سپیکٹرا. a b c b TEM تحلیل په ځای موږ اوس د Gr–Si په LIBs کې د انود موادو په توګه کارولو ته مخه کوو. د Gr–Si NPs (1 wt% ګرافین) فعالول په ریښتیني وخت کې د TEM تحلیل په کارولو سره د دوی د حجم پراخېدو په جریان کې وڅارل شو ، ، ، . په اصلي تجربه کې، ځینې Gr–Si ذرات په یوه سرو (Au) فکس شوي الکترود باندې ایښودل شوي وو. دوهم، مګر د خوځښت وړ، د Li/LiO2 په پای سره الکترود د Gr–Si NPs سره په تماس کې راوستلو لپاره موقعیت درلود ترڅو دوی فعال کړي ( ). د دوهم الکترود سره له تماس وروسته، ذرات پړسیدل پیل کړل ( ). د دې پروسې په اړه نور جزئیات په او کې لیدل کیدی شي. دوه ډوله پراخیدونکي جوړښتونه مشاهده شوي، یعنې غیر نیمګړتیا لرونکې ذرات او نیمګړتیا لرونکې ذرات لکه څنګه چې په کې روښانه شوي. په هغه قضیو کې چیرې چې ګرافین بشپړه توګه ذرات پوښي او هیڅ څرګندې نیمګړتیاوې نلري ( )، قطر شاوخوا 30٪ (220% حجم پراخېدل) زیاتوالی موندلی. د فعالیدو په پای کې، د ګرافین طبقو د طبقې واټن 3.8 Å ته لوړ شو چې د Li انټرکلشن منعکس کوي ، او د ګرافیتیک کوټینګ طبقه لرونکې ځانګړتیا د NP په شاوخوا کې ساتل شوې ( )، لکه څنګه چې په کې ښودل شوي د پرتونو ترمنځ د سلایډینګ پروسې وړاندیز کوي. په هغه قضیو کې چې نیمګړتیا لرونکی سیمه شتون لري (د کې شنه دایره وګورئ)، د پړسیدو په وخت کې، داخلي ذره مات کیږي او د نیمګړتیا له لارې مات کیږي ( ). د مشاهده شوي مختلف درز چلندونه د ذراتو له اندازې څخه د راپورته کیدو احتمال نلري، ځکه چې په کې له مات شوي څخه لوی پوښل شوي ذره مات نشو (د کې په 0 او 40 ثانیو کې په نښه شوي ذرات وګورئ). همدارنګه، وروستي مشاهدې ښیې چې که چیرې نه وي پوښل شوي، حتی کوچنۍ Si ذري (له 50 nm څخه کم) هم د ذراتو دننه د Li غلظت تدریجي له امله مات کیدی شي چې پام وړ فشار رامینځته کوي. په حقیقت کې، د Si ذراتو ماتیدو مهمه اندازه قضیې پورې تړاو لري، او په دې پورې اړه لري چې حجم پراخول په جریان کې رامینځته شوي فشار څومره په مؤثره توګه خوشې کیدی شي. مهمه اندازه تر 200 nm پورې پراخیدلی شي (مراجعه ). په ځای 29 30 31 32 Fig. 3a Fig. 3b ملحقات Fig. 5 ملحقات فلمونه 1-3 Fig. 3b,c Fig. 3d 33 Fig. 3d Fig. 3c Fig. 3a Fig. 3e Fig. 3 ملحقات Fig. 5 34 35 ( ) Gr–Si NPs په Au تار الکترود او دوهم Li/LiO2 الکترود سطحې ته ټینګ شوي. ( ) د فعالیدو وروسته ورته Gr–Si NPs. ( ) د غیر نیمګړتیا او نیمګړتیا لرونکي ګرافین پوښښ دواړو لپاره فعال شوي Gr–Si NPs یوه سکيميټیک لنډیز. ( , ) د غیر نیمګړتیا لرونکي ذری (په او کې د سور کرښې لخوا ګرد شوی) او ( ) نیمګړتیا لرونکي ذری (په او کې د نیلي کرښې لخوا ګرد شوی) لپاره نږدې TEM عکسونه. په دواړو قضیو کې EELS سپیکٹرا د فعالیدو تایید کوي. له سور بکسونو څخه د کرښې پروفایلونه دواړو قضیو کې د شاوخوا 3.8 Å د طبقې واټن زیاتوالی ښیې، کوم چې د ګرافین طبقې ځای کې فعالیدو منعکس کوي. a b c d e d a b e a b د فعالیدو په جریان کې محلي EELS تحلیل د Li -edge په 55 eV کې او د Si -edge په 100 eV کې د Si د فعالیدو تایید کوي ( ؛ مرجع ). په کې د ګرافین په سطحه ښودل شوي طبقه د Li/Li2O پاتې شونو ته منسوبه کیږي. په esencia کې، د ګرافین طبقې د Si سطحې باندې د کیمیاوي اړیکو له لارې د Si سره ادغام ساتي، او په ورته وخت کې، د سلایډینګ پروسه د څو طبقو ګرافین کوټینګ ته اجازه ورکوي چې د Si حجم پراخول ومني. په یوه جلا TEM تجربې کې د Gr–Si LIB الکترود سره، دا مشاهده شوه چې د ګرافین طبقو اوسط شمیر چې په مختلفو ځایونو کې اندازه شوي د لومړي فعالیدو وروسته له 9.4 څخه 5.6 طبقو ته راټیټ شو ( )، د طبقې سلایډینګ پروسې بیا تاییدوي. K L Fig. 3d,e 36 Fig. 3d له ملحقات Fig. 6 د ګرافین پوښښ او د طبقې سلایډینګ پروسې یو کلک ځواک پلي کوي چې د حجم پراخېدو په جریان کې د Si ذراتو بشپړتیا ساتلو کې مرسته کوي. په هرصورت، دا کلک میکانیزم د Li difffusion باندې اغیزه نه ښکاري، ځکه چې په بریښنایی کیمیاوي اندازو کې ښه ځانګړي ظرفیتونه ترلاسه کیږي. دا د یادونې وړ هم ده چې ذراتو پراخول، په ټولیزه توګه، په ټولو شعاعي لورو کې یو شان و حتی که څه هم له دوهم الکترود سره د تماس نقطه په لوړه کچه محدوده وه. دا د Si کور ته د هوموجینیس Li آئن difffusion لپاره د ګرافین طبقو تمایل روښانه کوي (د کې سور او نارنجي نقطو کرښې وګورئ). تحلیل دا هم په ګوته کوي چې د ګرافین طبقو له لارې Li difffusion خورا ګړندی دی، د پخوانیو مطالعاتو سره په توافق کې ، . دا هم یادونه کیږي چې مشاهده شوی کلک اثر په عمده توګه له ګرافین کوټینګ طبقو څخه دی نه د سطحې اصلي آکسيډ طبقو څخه ځکه چې د سطحې آکسيډ طبقې د پام وړ اغیز لپاره خورا پتلي دي. د سطحې آکسيډ طبقو پراساس د کلک اثر یوازې هغه وخت مشاهده شوی کله چې Si خالي جوړښتونه لري ، یا آکسيډ طبقې خورا ضخیمې دي . Fig. 3a,b په ځای 30 37 7 11 38 کنډکټیویت او بریښنایی کیمیاوي اندازه د ګرافین له ودې وروسته، د فعال موادو مجلس کنډکټیویت په ښکاره توګه ښه کیږي. کله چې په پوډر کې پیلټ شي، خالص Si د <10−7 S cm−1 ټیټ کنډکټیویت ښودلی، پداسې حال کې چې حتی