Prelom v graféne by mohol spôsobiť, že batérie pre elektrické vozidlá vydržia dlhšie a uskladnia viac energie.

Autori: 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 Abstrakt Kremík dostáva značnú pozornosť ako aktívny materiál pre anódy lítium-iónových batérií novej generácie vďaka svojej bezkonkurenčnej gravimetrickej kapacite. Veľká objemová zmena kremíka počas nabíjacích a vybíjacích cyklov však oslabuje jeho konkurencieschopnosť z hľadiska objemovej hustoty energie a životnosti cyklu. V tejto práci informujeme o priamom raste grafénu na kremíkových nanočasticiach bez tvorby karbidu kremíka. Vrstvy grafénu ukotvené na povrchu kremíka absorbujú objemové zväčšenie kremíka procesom kĺzania medzi susednými vrstvami grafénu. V spojení s komerčnou katódou z oxidu lítno-kobaltnatého umožňuje grafénový povlak bez karbidu kremíka celej batérii dosiahnuť objemové hustoty energie 972 a 700 Wh l⁻¹ pri prvom a 200. cykle, čo je 1,8-násobok a 1,5-násobok hustoty energie súčasných komerčných lítium-iónových batérií. Toto pozorovanie naznačuje, že dvojrozmerná vrstvená štruktúra grafénu a jeho integrácia s kremíkom bez karbidu kremíka môžu slúžiť ako prototyp pri premene kremíkových anód na komerčne životaschopnú technológiu. Úvod Teoretická gravimetrická kapacita kremíka (Si) dosahuje takmer 4 000 mAh g⁻¹. Táto bezkonkurenčná hodnota podnietila komunitu batériových technológií k značným výskumným aktivitám, pretože vysoká gravimetrická kapacita umožňuje výrazne zvýšiť energetické hustoty lítium-iónových batérií (LIB), a tým realizovať budúce aplikácie LIB, ako sú elektrické vozidlá. V poslednom desaťročí boli vyvinuté rôzne pokročilé štruktúry elektród [6-16] a konštrukcie spojív [17-19], aby sa vyriešili chronické problémy s poklesom kapacity vyplývajúce z veľkej objemovej zmeny Si, čo viedlo k podstatne zlepšenému výkonu cyklu aj pri tisíckach cyklov. Napriek sľubnej gravimetrickej hodnote a značnému pokroku v životnosti cyklu sa väčšina doteraz prezentovaných anód Si zameriavala predovšetkým na gravimetrickú kapacitu, ale neponúkala podobné prísľuby vo svojej objemovej kapacite, pretože existujúce konštrukcie elektród spoliehajú na preddefinovaný voľný priestor na absorbovanie objemového zväčšenia Si. V mnohých aplikáciách LIB vrátane prenosnej elektroniky je však objemová hustota energie kľúčovým parametrom pri určovaní výkonu batérie. Spolu s relatívne nižšou životnosťou cyklu je slabá objemová hustota energie v súčasnosti hlavným obmedzením pri implementácii anód Si do komerčných článkov. Na splnenie tejto kritickej požiadavky je potrebné prehodnotiť technológiu anód Si s inými konštrukciami elektród, ktoré ponúkajú stabilný výkon cyklu pri minimalizovanom objeme elektródy. Hoci je k dispozícii široká škála morfologických foriem Si a ich kompozitov s inými vodivými materiálmi, pre okamžité riešenie skutočnej výroby, ktorá vyžaduje kontrolu kvality na vysokej úrovni, je nevyhnutná jednoduchá a škálovateľná syntéza aktívnych Si komponentov. Z praktického hľadiska, spomedzi obrovského počtu životaschopných kandidátov, by bolo veľmi žiaduce použitie komerčných kremíkových nanočastíc (NP) s jednoduchým a účinným vodivým povrchovým povlakom. Rôzne vodivé materiály vrátane amorfných uhlíkov (AC) boli skúmané ako povlakové materiály pre anódy Si NP. Väčšina z nich však nedokáže poskytnúť stabilný dlhodobý výkon cyklu, pretože implementované povlakové materiály nedokážu absorbovať objemové zväčšenie Si a následne sa počas opakovaných cyklov rozlomia. V snahe prekonať obmedzenie predchádzajúcich vodivých povlakov a zároveň dosiahnuť dobrý výkon cyklu so značne vyššou objemovou hustotou energie, v tejto štúdii používame viacvrstvový grafén priamo rastúci na povrchu Si ako povlakový materiál. Dvojrozmerná (2D) vrstvená povaha grafénu poskytuje jedinečnú a efektívnu prevádzku anód Si, pretože viacvrstvový grafén dokáže absorbovať objemové zväčšenie Si procesom kĺzania medzi susednými vrstvami bez potreby vopred poskytnúť voľný priestor v hotovej elektróde. Pelleta Si NP potiahnutá grafénom vykazuje vodivosť 12,8 S cm⁻¹ pri okrajovom obsahu grafénu 1 % hmotnostných prostredníctvom vysokej perkolácie. Na tento účel prekonávame výzvu priameho rastu grafénu na povrchoch Si bez tvorby karbidu kremíka (SiC) vyvinutím procesu chemickej depozície z plynnej fázy (CVD), ktorý zahŕňa mierny oxidant. Tvorba SiC je pre prevádzku anód Si fatálna, pretože SiC je elektrický izolant s nízkymi charakteristikami defektov. Okrem toho SiC nereaguje s Li iónmi a následne bráni difúzii Li iónov do fázy Si. S pomocou procesu kĺzania medzivrstiev grafénu a zvýšenej vodivosti dosahujú Si NP potiahnuté grafénom objemovú kapacitu 2 500 mAh cm⁻³ (v porovnaní s 550 mAh cm⁻³ komerčného grafitu), čo je najvyššia hodnota doteraz zaznamenaná pre akúkoľvek anódu LIB, pričom vykazujú vynikajúci výkon cyklu a rýchlostný výkon. Výsledky Rast grafénu bez SiC na Si Priamy rast vysoko kvalitného grafénu na Si prostredníctvom procesu CVD sa ukázal ako náročný, pretože typické podmienky syntézy grafénu vyžadujú redukčnú atmosféru, ktorá má tendenciu odstraňovať natívnu vrstvu oxidu Si z povrchu Si a potom spôsobuje reakciu medzi Si a dekomponovanými uhlíkovými prekurzormi za vzniku SiC. Náš počiatočný prístup s použitím metánu (CH₄) ako uhlíkového prekurzora zmiešaného s H₂ v skutočnosti nedokázal dosiahnuť rast grafénu na Si NP (doplnkový obrázok 1), čím vznikol len β-SiC (doplnkový obrázok 2). Na prekonanie tohto obmedzenia sme do procesu CVD pridali oxid uhličitý (CO₂), mierny oxidant, spolu s CH₄ (odkazy). Pridanie CO₂ umožňuje vyhnúť sa tvorbe SiC a tiež znižuje rastovú teplotu v porovnaní so známym rastom grafénu na povrchu. V našom experimente pri 900 °C bol rast grafénu neúplný alebo nehomogénny (doplnkový obrázok 3), zatiaľ čo rast grafénu pri 1 100 °C vytvoril na povrchu Si príliš hrubé vrstvy oxidu pre účinnú difúziu Li iónov (doplnkový obrázok 4). Pri strednej teplote 1 000 °C sa vytvorilo 2–10 vrstiev grafénu, ako je vidieť na obrázkoch z transmisnej elektrónovej mikroskopie (TEM) (obrázky 1a, b), ktoré jasne zobrazujú vrstvenú štruktúru, ako aj medzivrstvovú vzdialenosť blízku 3,4 Å (obrázok 1b, vkladaný obrázok). Bližšia kontrola ukazuje, že jednotlivé vrstvy sú ukotvené priamo k povrchu častice Si na ich koncoch (červené šípky na obrázku 1c) a sú rovnobežné s povrchom Si. Tieto dobre zarovnané vrstvy grafénu si môžu zachovať svoju vrstvenú štruktúru aj počas litizácie prostredníctvom procesu kĺzania (obrázok 1d), čím poskytujú elegantný prostriedok na absorbovanie objemového zväčšenia Si. Rast grafénu bol pokusne vykonaný na povrchoch oxidu kremičitého (SiO₂) s použitím CH₄ a H₂ (odkazy). Rast grafénu v týchto procesoch však bol veľmi neefektívny alebo nevytváral SiC. Neefektívny rast je pripisovaný nedostatočným katalytickým miestam na povrchu SiO₂. V našom procese naopak pridanie CO₂ generuje viac katalytických miest vo forme SiOₓ s niektorými defektmi. ( ) TEM obraz Gr–Si NP s nízkym zväčšením. ( ) TEM obraz Gr–Si NP z bieleho rámčeka v s vyšším zväčšením. (Vkladané obrázky) Profilové čiary z dvoch červených rámčekov naznačujú, že medzivrstvová vzdialenosť medzi vrstvami grafénu je ∼3,4 Å, čo je v dobrom súlade s typickými vrstvami grafénu založenými na van der Waalsovej interakcii. ( ) TEM obraz s vysokým zväčšením zobrazujúci pôvody (červené šípky), z ktorých rastú jednotlivé vrstvy grafénu. ( ) Schematická ilustrácia zobrazujúca proces kĺzania vrstiev grafénového povlaku, ktoré môžu tlmiť objemové zväčšenie Si. a b a c d Rast grafénu bez SiC bol overený analýzami v rámci celej hmoty aj na úrovni jednotlivých častíc. Profilovanie röntgenovej fotoelektrónovej spektroskopie v pásme Si 2p (obrázok 2a) ako aj spektrá röntgenovej difrakcie (XRD) (doplnkový obrázok 2) neukazujú žiadne píky zodpovedajúce SiC pre Si potiahnuté grafénom (Gr–Si), Si potiahnuté AC (AC–Si) a pôvodné Si, na rozdiel od kontrolného vzorky (SiC–Si) syntetizovanej bez CO₂ pomocou CH₄ a H₂. Na druhej strane, skenovacia TEM mikroskopia pomocou vysokouhlového annularneho tmavého poľa ukázala, že Si NP majú jadro-plášťovú štruktúru s jasnejším jadrom a tenkým relatívne tmavším plášťom pripisovaným Si jadru a oxidovému povlaku (obrázok 2b). Spektrá stratenej energie elektrónov (EELS) (obrázok 2c) získané pre viacero bodov naprieč NP nevykazovali žiadne signály odrážajúce tvorbu SiC, čím sa potvrdil rast bez SiC v súčasnom procese rastu. Na miestach 1 a 2 boli detekované silnejšie signály SiO₂, ako na ostatných bodoch v strede, čo naznačuje, že povrch SiO₂ slúži ako katalytické miesto pre rast grafénu. Pretrvávajúca prítomnosť vrstiev povrchu SiO₂ bola tiež overená charakterizáciou pomocou XRD (doplnkový obrázok 2) a EELS (obrázok 2b, c). ( ) Spektrá röntgenovej fotoelektrónovej spektroskopie v pásme Si 2p pre Gr–Si, SiC–Si, AC–Si a pôvodné Si. ( ) Skenovací TEM obraz Gr–Si NP. ( ) EELS spektrá pre body označené na . a b c b Analýza TEM in situ Teraz prechádzame k použitiu Gr–Si ako anódového materiálu v LIB. Litizácia Gr–Si NP (1 % hmotn. grafénu) bola monitorovaná v reálnom čase počas ich objemového zväčšenia pomocou analýzy TEM in situ [29–32]. V samotnom experimente boli niektoré častice Gr–Si umiestnené na elektródu upevnenú zlatom (Au). Druhá, ale pohyblivá elektróda s Li/LiO₂ na svojom hrote bola umiestnená tak, aby sa len dotýkala častíc Gr–Si, aby ich litizovala (obrázok 3a). Po vytvorení kontaktu s druhou elektródou sa častice začali zväčšovať (obrázok 3b). Podrobnejšie informácie o tomto procese možno vidieť v doplnkovom obrázku 5 a doplnkových videách 1–3. Boli pozorované dva typy zväčšujúcich sa štruktúr, a to častice bez defektov a častice s defektmi, ako je zvýraznené na obrázkoch 3b, c. V prípadoch, kde grafén úplne zapuzdruje časticu a nemá žiadne zjavné defekty (obrázok 3d), priemer vzrástol o ∼30 % (220 % objemového zväčšenia). Na konci litizácie sa medzivrstvová vzdialenosť vrstiev grafénu zväčšila na 3,8 Å, čo odráža interkaláciu Li, a vrstvený charakter grafitového povlaku sa zachoval okolo NP (obrázok 3d), čo naznačuje kĺzavý proces medzi vrstvami, ako je znázornené na obrázku 3c. V prípadoch, kde existuje defektná oblasť (pozri zelený kruh na obrázku 3a), po zväčšení sa vnútorná častica rozpadne a pretrhne cez defekt (obrázok 3e). Pozorované odlišné správanie pri zlomení pravdepodobne nesúvisí s veľkosťou častice, pretože zapuzdrená častica väčšia ako zlomená na obrázku 3 nebola zlomená (pozri označené častice pri 0 a 40 s v doplnkovom obrázku 5). Taktiež nedávne pozorovanie naznačuje, že aj menšie častice Si ( 200 nm (ref.). ( ) Gr–Si NP pripevnené na povrch Au drôtu a druhej elektródy Li/LiO₂. ( ) Tie isté Gr–Si NP po litizácii. ( ) Schematické zhrnutie litizovaných Gr–Si NP pre nepoškodené aj poškodené zapuzdrenie grafénom. ( , ) TEM obraz zblízka pre ( ) nepoškodenú časticu (označenú červeným kruhom na a ) a ( ) poškodenú časticu (označenú modrým kruhom na a ). EELS spektrá v oboch prípadoch potvrdzujú litizáciu. Profilové čiary z červených rámčekov v oboch prípadoch ukazujú zvýšené medzivrstvové vzdialenosti cca 3,8 Å, čo odráža litizáciu do medzivrstvového priestoru grafénu. a b c d e d a b e a b Lokálna analýza EELS počas litizácie potvrdzuje litizáciu Si v oboch prípadoch prostredníctvom rozmazaného Li K-hrany blízko 55 eV ako aj Si L-hrany pri 100 eV (obrázok 3d, e; ref.). Vrstva zobrazená na povrchu grafénu na obrázku 3d je pripísaná zvyškom Li/Li₂O. V podstate vrstvy grafénu zachovávajú integráciu so Si prostredníctvom svojich chemicky viazaných koreňov na povrchu Si a zároveň proces kĺzania umožňuje niekoľkovrstvovému grafénovému povlaku absorbovať objemové zväčšenie Si. V samostatnom experimente TEM ex situ s elektródou Gr–Si LIB bolo pozorované, že priemerný počet vrstiev grafénu meraný na rôznych miestach klesol z 9,4 na 5,6 vrstiev (doplnkový obrázok 6) po prvej litizácii, čo opätovne potvrdzuje proces kĺzania medzivrstiev. Proces zapuzdrenia grafénom a kĺzania medzivrstiev vyvíja upínaciu silu, ktorá pomáha udržiavať integritu častíc Si počas objemového zväčšenia. Tento mechanizmus upínania sa však nezdá, že by ovplyvňoval difúziu Li, pretože v elektrochemických meraniach sa dosahujú dobré špecifické kapacity. Je tiež pozoruhodné, že objemové zväčšenie častíc bolo celkovo rovnomerné vo všetkých radiálnych smeroch, aj keď kontaktný bod s druhou elektródou bol vysoko lokalizovaný. To poukazuje na sklon vrstiev grafénu k homogénnej difúzii Li iónov do jadra Si (pozri červené a oranžové prerušované čiary na obrázkoch 3a, b). Analýza in situ tiež naznačuje, že difúzia Li cez vrstvy grafénu je pomerne rýchla, v súlade s predchádzajúcimi štúdiami. Taktiež je potrebné poznamenať, že pozorovaný upínací efekt pochádza hlavne z vrstiev grafénového povlaku, nie z natívnych povrchových vrstiev oxidu, pretože povrchové vrstvy oxidu sú príliš tenké na to, aby mali významný vplyv. Upínací efekt založený na vrstvách povrchového oxidu bol pozorovaný iba vtedy, keď Si má duté štruktúry alebo sú vrstvy oxidu veľmi hrubé. Merania vodivosti a elektrochemické merania Po raste grafénu sa vodivosť aktívneho materiálového zostavenia výrazne zlepšila. Po peletizácii v práškovej forme vykazoval pôvodný Si nízku vodivosť <10⁻⁷ S cm⁻¹, zatiaľ čo aj 1 % hmotn. pridanie grafénu pozoruhodne zvýšilo vodivosť na 12,8 S cm⁻¹ (obrázok 4a). Toto zlepšenie je pripísané vynikajúcemu perkolácii vrstiev grafénového povlaku spôsobom, že 2D grafén a jeho dobre zarovnané vrstvené usporiadanie podporujú dobre prepojenú vodivú sieť (doplnkový obrázok 7), a je tiež v súlade s predchádzajúcimi kompozitmi grafén-polymér. Vodivosť sa ďalej zvýšila na 38,3 S cm⁻¹ pri obsahu grafénu 5 % hmotn. ( ) Vodivosť peliet Gr–Si, AC–Si a Super P–Si pri rôznych obsahoch uhlíka. ( ) Profil litizácie-delitizácie pri prvom cykle. Hrúbky elektród 5 % hm. Gr–Si, 1 % hm. Gr–Si, 2 % hm. AC–Si a pôvodné Si (Super P 1 % hm.) sú 4,5, 5,0, 8,3 a 12,3 μm. ( ) Udržanie litizačnej (plný kruh) a delitizačnej (prázdny kruh) kapacity rovnakých štyroch vzoriek. Potenciál bol skenovaný v napäťovom okne medzi 0,01 a 1,5 V pri 0,5C. ( ) SEM obrazy zhora: elektróda 5 % hm. Gr–Si (vľavo) pred a (uprostred) po 200 cykloch a (vpravo) elektróda 2 % hm. AC–Si po 200 cykloch. ( ) TEM obraz s vysokým zväčšením 5 % hm. Gr–Si po 200 cykloch získaný z bieleho rámčeka na TEM obraze s nízkym zväčšením (horný vkladaný obrázok). Stredný vkladaný obrázok: Selected area electron diffraction ukazujúci amorfnú povahu Si po cyklovaní. Spodný vkladaný obrázok: profilová čiara z vrstiev grafénu v červenom rámčeku zobrazujúca medzivrstvovú vzdialenosť 3,8 Å. ( ) Rýchlostný výkon 5 % hm. Gr–Si s rôznymi počiatočnými plošnými kapacitami (3,0, 2,0 a 1,0 mAh cm⁻²). a b c d e f Elektrochemický výkon Gr–Si NP bol preskúmaný prípravou pol-článkov typu mince, v ktorých kovové lítiu slúži ako protikusová/referenčná elektróda. Pre porovnanie, okrem Gr–Si s rôznym obsahom grafénu, boli skúmané aj AC–Si a pôvodné Si. Obsah grafénu bol kontrolovaný dobou rastu, zatiaľ čo rastová teplota bola nastavená na 1 000 °C. Všetky vzorky vykazovali charakteristické litizačné a delitizačné plošiny pri 0,1 a 0,4 V voči Li/Li⁺ v prvom cykle (obrázok 4b; 0,05C, 1C=2 000 mA g⁻¹, 0,01–1,5 V voči Li/Li⁺). 5 % hm. Gr–Si, 1 % hm. Gr–Si, 2 % hm. AC–Si a pôvodné Si vykazovali litizačné/delitizačné kapacity 2 820/2 340, 2 341/1 629, 3 143/1 160 a 3 632/741 mAh g⁻¹, resp., keď sa zohľadní kremík a potiahnutý grafén, čo viedlo k počiatočným Coulombovým účinnostiam (CE) 83 %, 69 %, 37 % a 20 %. Nízka reverzibilná kapacita a počiatočné CE AC–Si sú pripísané defektom vrstiev AC, ktoré zachytávajú Li ióny. Grafénový povlak má drastický rozdiel vo výkone cyklu (obrázok 4c a doplnkový obrázok 8). Pre spravodlivé porovnanie medzi vzorkami sme najprv nastavili plošnú kapacitu na 1 mAh cm⁻². V tomto obmedzení bol pokles kapacity tak u 2 % hm. AC–Si, ako aj u pôvodného Si výrazný už v skorých cykloch, čo naznačuje, že jednoduchý AC povlak nie je vôbec funkčný. Medzi oboma vzorkami Gr–Si, 5 % hm. Gr–Si vykazoval lepší výkon ako 1 % hm. Gr–Si (85 % oproti 70 % retencie po 200 cykloch), čo naznačuje, že v závislosti od plošnej kapacity je obsah grafénu kritický. Nižšia retencia 1 % hm. Gr–Si by mohla byť vysvetlená občasnou tvorbou defektov, ako je pozorovaná v našej TEM in situ štúdii založenej na rovnakom obsahu grafénu (obrázok 3e). Pre vzorku s 5 % hm. grafénu boli testy rozšírené na ešte vyššie plošné kapacity až do 6 mAh cm⁻² (doplnkový obrázok 8b). Pri plošných kapacitách 1, 3 a 6 mAh cm⁻² boli retencie kapacity po 100 cykloch 96 %, 91 % a 43 %. Tieto vzorky tiež dosiahli dobré CE 99,6 %, 99,3 % a 99,4 % po 100 cykloch. Vplyv konformného grafénového povlaku na štruktúrnu integritu Si NP bol objasnený pomocou post-mortem skenovacej elektrónovej mikroskopie (SEM) a TEM po 200 cykloch. Aj po 200 cykloch SEM obraz 5 % hm. Gr–Si vizualizoval jednotlivé NP s jasnými hranicami častíc (obrázok 4d). Naopak, SEM obraz 2 % hm. AC–Si ukázal, že vrstvy pevného elektrolytového medzivrstvy (SEI) prerástli a zakryli jednotlivé NP, čo naznačuje význam grafénového povlaku na stabilitu vrstiev SEI. Analýzy TEM (obrázok 4e a doplnkové obrázky 9–11) 5 % hm. Gr–Si vizualizovali zachované jednotlivé vrstvy grafénového povlaku, čím potvrdili ich robustnú integráciu so Si NP počas opakovaných veľkých objemových zmien opäť prostredníctvom kĺzavého procesu. Okrem toho sa hrúbka filmu 5 % hm. Gr–Si s 3 mAh cm⁻² zvýšila o 51,3 % (15,0→22,7 μm) po prvom cykle, čo je podstatne menej ako (77,4 %, 10,2→18,1 μm) u 5 % hm. Super P-pôvodného Si, dokonca aj s polovičnou plošnou špecifickou kapacitou 1,5 mAh cm⁻². Podľa TEM obrazov po prvom delitizácii (doplnkový obrázok 10) a 200. delitizácii (doplnkový obrázok 11) medzivrstvová vzdialenosť vrstiev grafénu zostala na ∼3,8 Å, čo naznačuje, že proces kĺzania nie je úplne reverzibilný. Tieto javy sú pripísané kombinovanému účinku tvorby vrstvy SEI a zvyškových Li iónov medzi vrstvami grafénu, spolu s menším objemovým zmršťovaním počas prvej delitizácie ako objemového zväčšenia prvej litizácie. Napriek tomu vrstvy grafénu zostávajú zakorenené na povrchoch Si, naďalej plnia svoje pôvodné úlohy ako vodivé činidlo a tlmiace médium na absorbovanie objemového zväčšenia Si. Grafénový povlak má tiež výrazný vplyv na rýchlostný výkon využívajúci jeho dobre vyvinutú perkolujúcu sieť. Dokonca aj pri vysokej plošnej kapacite 3 mAh cm⁻² 20-násobné zvýšenie rýchlosti z 0,5 na 10C stále zachovalo 90 % počiatočnej kapacity. Je potrebné zdôrazniť, že priamy rast grafénu na Si NP použitý tu sa zásadne líši od predchádzajúcich prác, kde sa jednoduchá zmes Si NP a redukovaného grafénového oxidu pripravuje roztokovým procesom, v tom, že v prípade roztokových procesov nie je možné úplné zapuzdrenie Si NP [42–47]. Na kompenzáciu tohto nedostatku je potrebné výrazne zvýšiť obsah redukovaného grafénového oxidu, čo zase obetuje špecifickú kapacitu a CE. Z podobných dôvodov žiadny z predchádzajúcich povlakov z uhlíkových nanomateriálov pripravených roztokovými procesmi nedosiahol stabilný výkon cyklu pri plošných kapacitách porovnateľných s tými v tejto štúdii. Objemová kapacita Gr–Si bola objasnená v porovnaní s teoretickými a komerčnými prípadmi (obrázok 5a). Objemová kapacita 5 % hm. Gr–Si (pre elektródu s 3,0 mAh cm⁻² na obrázku 4c) sa pohybuje od 2 500 do 3 000 mAh cm⁻³, čo je blízko teoretickej hodnoty (4 284 mAh cm⁻³) pôvodných Si častíc za predpokladu ich ideálneho usporiadania (podrobnosti v popise obrázka). Súčasné hodnoty sú oveľa vyššie ako (550 mAh cm⁻³) súčasných komerčných anód na báze grafitu. Na ďalšie posúdenie praktickej životaschopnosti 5 % hm. Gr–Si bol preskúmaný výkon celej batérie spárovaním s komerčnou katódou LiCoO₂. Pri zohľadnení priemerneho napätia článku 3,5 V, plošnej kapacity 3,0 mAh cm⁻² a celkovej hrúbky elektródy 108 μm (elektróda+separátor+zberný drôt, hrúbka Gr–Si=15 μm) objemová hustota energie súčasnej celej batérie dosahuje 972 Wh l⁻¹. Táto hodnota je pozoruhodná, pretože je 1,8-násobok (550 Wh l⁻¹) široko používaných súčasných komerčných LIB vyp