Prelom v graféne by mohol spôsobiť, že batérie pre elektromobily vydržia dlhšie a uložia 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 je ako aktívny materiál pre anódy lítium-iónových batérií novej generácie venovaný neprehliadnuteľnej pozornosti vďaka svojej neprekonateľnej gravimetrickej kapacite. Veľká objemová zmena kremíka počas cyklov nabíjania-vybíjania však oslabuje jeho konkurencieschopnosť v oblasti objemovej hustoty energie a životnosti cyklu. V tomto článku oznamujeme priamy rast grafénu nad kremíkovými nanočasticami bez tvorby karbidu kremíka. Vrstvy grafénu pripevnené na povrchu kremíka absorbujú objemové zväčšenie kremíka procesom posúvania medzi susednými vrstvami grafénu. V spojení s komerčnou katódou z oxidu lítno-kobaltnatého umožňuje bezkarbidová grafénová vrstva na báze kremíka plnému článku dosiahnuť objemové hustoty energie 972 a 700 Wh l−1 pri prvom a 200. cykle, čo je 1,8-krát a 1,5-krát vyššia hodnota ako pri súčasných komerčných lítium-iónových batériách. Toto pozorovanie naznačuje, že dvojrozmerná vrstevnatá štruktúra grafénu a jeho bezkarbidová integrácia s kremíkom môžu slúžiť ako prototyp pri presune kremíkových anód do komerčne životaschopnej technológie. Úvod Teoretická gravimetrická kapacita kremíka (Si) dosahuje takmer 4 000 mAh g−1. Táto neprekonateľná hodnota podnietila batériovú komunitu k investovaniu značného výskumného úsilia, pretože vysoká gravimetrická kapacita umožňuje významne zvýšiť hustoty energie lítium-iónových batérií (LIB) a tým aj uskutočniť budúce aplikácie LIB, ako sú elektrické vozidlá. V poslednej dekáde boli vyvinuté rôzne pokročilé štruktúry elektród [6–16] a konštrukcie spojív [17–19] na vyriešenie chronických problémov so znižovaním kapacity vyplývajúcich z veľkej objemovej zmeny Si, čo viedlo k podstatne zlepšenej výkonnosti cyklov aj po tisícoch cyklov. Napriek sľubnej gravimetrickej hodnote a značnému pokroku v životnosti cyklu sa väčšina doteraz demonštrovaných anód Si zamerala predovšetkým na gravimetrickú kapacitu, ale neponúkla podobný prísľub v objemovej kapacite, pretože existujúce konštrukcie elektród sa spoliehajú na preddefinovaný voľný priestor na absorbovanie objemovej expanzie Si. V mnohých aplikáciách LIB vrátane prenosnej elektroniky je však objemová hustota energie kritickým parametrom pri určovaní výkonnosti 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 stabilnú výkonnosť cyklov pri minimalizovanom objeme elektródy. Hoci je k dispozícii rôznorodá morfológia Si a ich kompozity s inými vodivými materiálmi, pre okamžité riešenie skutočnej výroby, ktorá vyžaduje kontrolu kvality na vysokej úrovni, je rozhodujúca jednoduchá a škálovateľná syntéza aktívnych Si komponentov. Z praktického hľadiska je spomedzi obrovského počtu životaschopných kandidátov veľmi žiadané použitie komerčných nanočastíc Si (NP) s jednoduchým a účinným povrchovým vodivým povlakom. Rôzne vodivé materiály vrátane amorfného uhlíka (AC) boli skúmané ako povlakové materiály pre anódy Si NP. Väčšina z nich však nedokáže poskytnúť stabilnú dlhodobú výkonnosť cyklov, pretože implementované povlakové materiály nedokážu absorbovať objemovú expanziu Si a následne sa počas opakovaných cyklov lámu. V snahe vyriešiť obmedzenie predchádzajúcich vodivých povlakov a tiež dosiahnuť dobrú výkonnosť cyklov s výrazne vyššou objemovou hustotou energie, v tejto štúdii používame viacvrstvový grafén priamo rastúci na povrchu Si ako povlakový materiál. Dvojrozmerný (2D) vrstevnatý charakter grafénu poskytuje jedinečnú a efektívnu prevádzku anód Si, pretože viacvrstvový grafén dokáže absorbovať objemovú expanziu Si procesom posúvania medzi susednými vrstvami bez potreby predbežného zabezpečenia voľného priestoru v hotovej elektróde. Tiež pelietka Si NP potiahnutá grafénom vykazuje 12,8 S cm−1 pri okrajovom obsahu grafénu 1 wt% prostredníctvom vysokej prechodovej siete. Na tento účel prekonávame výzvu priameho rastu grafénu na povrchoch Si bez tvorby Si karbidu (SiC) vývojom procesu chemickej depozície z plynnej fázy (CVD), ktorý zahŕňa mierne oxidačné činidlo. Tvorba SiC je pri prevádzke 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 posúvania 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 spomedzi doteraz publikovaných pre akékoľvek anódy LIB, pričom vykazuje vynikajúcu výkonnosť cyklov a rýchlostnú výkonnosť. Výsledky SiC-free rast grafénu na Si Priamy rast vysokokvalitného grafénu na Si pomocou procesu CVD sa ukázal ako náročný, pretože typické podmienky syntézy grafénu vyžadujú redukčnú atmosféru, ktorá má tendenciu odstraňovať pôvodnú vrstvu Si oxidu 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 vznikal len β-SiC (doplnkový obrázok 2). Na prekonanie tohto obmedzenia sme do procesu CVD spolu s CH4 zaradili oxid uhličitý (CO2), mierne oxidačné činidlo (referencie). Zaradenie CO2 umožňuje zabrániť 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 efektívnu 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) (obrázok 1a, b), ktoré jasne zobrazujú vrstevnatú štruktúru, ako aj medzivrstvovú vzdialenosť blízku 3,4 Å (obrázok 1b, vsuvka). Bližšie preskúmanie naznačuje, že jednotlivé vrstvy sú pripevnené priamo na povrch častíc Si na ich koncoch (červené šípky na obrázku 1c) a ležia rovnobežne s povrchom Si. Tieto dobre zarovnané vrstvy grafénu si môžu zachovať svoju vrstevnatú štruktúru aj počas lítiácie prostredníctvom posúvacieho procesu (obrázok 1d), čím poskytujú elegantný spôsob, ako absorbovať objemovú expanziu Si. Rast grafénu bol pokusne realizovaný na povrchoch oxidu kremíka (SiO2) pomocou CH4 a H2 (referencie). Avšak rast grafénu v týchto procesoch bol veľmi neefektívny alebo nebránil tvorbe SiC. Neefektívny rast sa pripisuje nedostatočným katalytickým miestam na povrchu SiO2. Naopak, v našom procese pridanie CO2 generuje viac katalytických miest vo forme SiO s niektorými defektmi. x ( ) TEM obraz Gr–Si NP pri nízkom zväčšení. ( ) TEM obraz tej istej Gr–Si NP z bieleho rámčeka na pri vyššom zväčšení. (Vsuvky) Líniové profily 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 vizualizujúci pôvody (červené šípky), z ktorých rastú jednotlivé vrstvy grafénu. ( ) Schematická ilustrácia zobrazujúca posúvací proces vrstiev grafénového povlaku, ktorý môže tlmiť objemovú expanziu Si. a b a c d Bezkarbidový rast grafénu bol overený analýzami v hromadnom aj v jednoperličkovom meradle. Profily röntgenovej fotoelektrónovej spektroskopie v pásme Si 2 (obrázok 2a) ako aj spektra 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 kontrolnej vzorky (SiC–Si) syntetizovanej bez CO2 pomocou CH4 a H2. Na druhej strane, skenovacia TEM mikroskopia pomocou zobrazenia s vysokým uhlom rozptylu (high-angle annular dark field) ukázala, že Si NP majú štruktúru jadro-plášť s jasnejším jadrom a tenkým, relatívne tmavším plášťom pripísaným kremíkovému jadru a povlaku z oxidu (obrázok 2b). Spektra strát energie elektrónov (EELS) (obrázok 2c) získané pre viacero bodov cez NP nevykazovali žiadne signály odrážajúce tvorbu SiC, čo potvrdzuje bezkarbidový rast v súčasnom rastovom procese. Na bodoch 1 a 2 boli tiež detegované silnejšie ako ostatné body v strede SiO2 signály pri 108 eV, čo naznačuje, že povrch SiO2 slúži ako katalytické miesta pre rast grafénu. Pretrvávajúci výskyt povrchových vrstiev SiO2 bol tiež overený charakterizáciou pomocou XRD (doplnkový obrázok 2) a EELS (obrázok 2b, c). p ( ) Spektra röntgenovej fotoelektrónovej spektroskopie v pásme Si 2 pre Gr–Si, SiC–Si, AC–Si a pôvodné Si. ( ) Skenovací TEM obraz Gr–Si NP. ( ) EELS spektra pre body označené na . a p b c b TEM analýza In situ Teraz sa zameriame na použitie Gr–Si ako anódového materiálu v LIB. Litiácia Gr–Si NP (1 wt% grafénu) bola monitorovaná v reálnom čase počas ich objemovej expanzie pomocou TEM analýzy [29–32]. V skutočnom experimente boli niektoré častice Gr–Si umiestnené na zlatú (Au) pripevnenú elektródu. Druhá, ale pohyblivá elektróda s Li/LiO2 na svojom hrote bola umiestnená tak, aby sa mierne dotýkala častíc Gr–Si NP na ich lítiáciu (obrázok 3a). Po nadviazaní kontaktu s druhou elektródou sa častice začali zväčšovať (obrázok 3b). Větší detaily o tomto procese možno vidieť v doplnkovom obrázku 5 a doplnkových filmoch 1–3. Boli pozorované dva typy zväčšujúcich sa štruktúr, a to nedefektné častice a defektné častice, ako je zvýraznené na obrázku 3b, c. V prípadoch, keď grafén plne zapuzdruje časticu a nemá žiadne zjavné defekty (obrázok 3d), priemer sa zvýšil o ∼30 % (220% objemová expanzia). Na konci lítiácie sa medzivrstvová vzdialenosť vrstiev grafénu zvýšila na 3,8 Å, čo odráža interkaláciu Li a vrstevnatý charakter grafitového povlaku bol zachovaný po celom obvode NP (obrázok 3d), čo naznačuje posúvací proces medzi vrstvami, ako je znázornené na obrázku 3c. V prípadoch, keď existuje defektná oblasť (pozri zelený kruh na obrázku 3a), pri zväčšovaní sa vnútorná častica rozpadá a prepukáva cez defekt (obrázok 3e). Pozorované odlišné správania pri lámaní pravdepodobne nie sú spôsobené veľkosťou častíc, pretože zapuzdrovaná častica väčšia ako rozlomená na obrázku 3 nebola rozlomená (pozri označené častice pri 0 a 40 s v doplnkovom obrázku 5). Nedávne pozorovanie tiež naznačuje, že aj menšie kremíkové častice ( 200 nm (ref.). in situ ( ) Gr–Si NP pripevnené k povrchu Au drôtu a druhej elektróde Li/LiO2. ( ) Ttie isté Gr–Si NP po litiácii. ( ) Schematické zhrnutie zväčšených Gr–Si NP pre nedefektné aj defektné zapuzdrenie grafénom. ( , ) TEM obrazy zblízka pre ( ) nedefektnú časticu (označenú červenou čiarou na a ) a ( ) defektnú časticu (označenú modrou čiarou na a ). EELS spektra v oboch prípadoch potvrdzujú litiáciu. Líniové profily z červených rámčekov v oboch prípadoch ukazujú zvýšené medzivrstvové vzdialenosti cca 3,8 Å, čo odráža litiáciu do medzivrstvy grafénu. a b c d e d a b e a b Lokálna EELS analýza počas litiácie overuje litiáciu Si v oboch prípadoch prostredníctvom rozmazanej hrany Li blízko 55 eV, ako aj hrany Si pri 100 eV (obrázok 3d, e; ref.). Vrstva zobrazená na povrchu grafénu na obrázku 3d je pripísaná zvyškom Li/Li2O. V podstate si vrstvy grafénu zachovávajú integráciu so Si prostredníctvom ich chemicky viazaných koreňov na povrchu Si a zároveň posúvací proces umožňuje niekoľkovrstvovému grafénovému povlaku absorbovať objemovú expanziu Si. V samostatnom TEM experimente 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 litiácii, čo opätovne potvrdzuje proces posúvania medzivrstiev. K L ex situ Zapuzdrenie grafénom a proces posúvania medzivrstiev vyvíjajú upínaciu silu, ktorá pomáha udržiavať integritu častíc Si počas objemovej expanzie. Tento upínací mechanizmus sa však nezdá, že by ovplyvňoval difúziu Li, pretože v elektrochemických meraniach sa dosahujú dobré špecifické kapacity. Je tiež potrebné poznamenať, že objemová expanzia častíc bola vo všeobecnosti rovnomerná vo všetkých radiálnych smeroch, aj keď kontaktný bod s druhou elektródou bol vysoko lokalizovaný. To poukazuje na tendenciu vrstiev grafénu k homogénnej difúzii Li iónov do kremíkového jadra (pozri červené a oranžové prerušované čiary na obrázku 3a, b). analýza tiež naznačuje, že difúzia Li cez vrstvy grafénu je pomerne rýchla, v súlade s predchádzajúcimi štúdiami. Taktiež sa poznamenáva, že pozorovaný upínací efekt pochádza hlavne z vrstiev grafénového povlaku, nie z povrchových pôvodných vrstiev oxidu, pretože povrchové vrstvy oxidu sú príliš tenké na to, aby mali významný vplyv. Upínací efekt založený na povrchových vrstvách oxidu bol pozorovaný iba vtedy, keď Si má duté štruktúry alebo sú vrstvy oxidu veľmi hrubé. In situ Vodivosť a elektrochemické merania Po raste grafénu sa vodivosť aktívneho materiálového zoskupenia výrazne zlepšuje. Po zlisovaní v práškovej forme vykazoval pôvodný Si nízku vodivosť <10−7 S cm−1, zatiaľ čo aj 1 wt% pridanie grafénu pozoruhodne zvýšilo vodivosť na 12,8 S cm−1 (obrázok 4a). Toto zlepšenie sa pripisuje vynikajúcemu prechodovému správaniu vrstiev grafénového povlaku tak, že 2D grafén a jeho dobre zarovnané vrstevnaté 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 wt%. ( ) Pellettová vodivosť Gr–Si, AC–Si a Super P–Si pri rôznych uhlíkových obsahoch. ( ) Prvé profily litiácie–delitiácie. Hrúbky elektród 5 wt%-Gr–Si, 1 wt%-Gr–Si, 2 wt%-AC–Si a pôvodné Si (Super P 1 wt%) sú 4,5, 5,0, 8,3 a 12,3 μm, resp. ( ) Udržanie kapacity pri litiácii (plný kruh) a delitiácii (prázdny kruh) rovnakých štyroch vzoriek. Potenciál bol zametaný v napäťovom okne medzi 0,01 a 1,5 V pri 0,5 C. ( ) SEM obrazy zhora: 5 wt%-Gr–Si elektróda (vľavo) pred a (uprostred) po 200 cykloch a (vpravo) 2 wt%-AC–Si elektróda po 200 cykloch. ( ) TEM obraz s vysokým zväčšením 5 wt%-Gr–Si po 200 cykloch získaný z bieleho rámčeka na TEM obraze s nízkym zväčšením (horná vsuvka). Stredná vsuvka: Selected area electron diffraction ukazujúca amorfnu povahu Si po cyklovaní. Spodná vsuvka: líniový profil z grafénových vrstiev v červenom rámčeku zobrazujúci medzivrstvovú vzdialenosť 3,8 Å. ( ) Rýchlostná schopnosť 5 wt%-Gr–Si s rôznymi počiatočnými plošnými kapacitami (3,0, 2,0 a 1,0 mAh cm−2). a b c d e f Elektrochemická výkonnosť Gr–Si NP bola skúmaná prípravou poloclánkov typu mince, v ktorých kovové Li slúži ako protikladná/referenčná elektróda. Na porovnanie, okrem Gr–Si s rôznym obsahom grafénu, boli skúmané aj AC–Si a pôvodné Si. Obsah grafénu bol kontrolovaný rastovým časom, zatiaľ čo rastová teplota bola nastavená na 1 000 °C. Všetky vzorky vykazovali charakteristické plató litiácie a delitiácie pri 0,1 a 0,4 V voči Li/Li+, resp. v prvom cykle (obrázok 4b; 0,05C, 1C=2 000 mA g−1, 0,01–1,5 V voči Li/Li+). 5 wt%-Gr–Si, 1 wt%-Gr–Si, 2 wt%-AC–Si a pôvodné Si vykazovali kapacitu litiácie/delitiácie 2 820/2 340, 2 341/1 629, 3 143/1 160 a 3 632/741 mAh g−1, resp., pričom sa zohľadnil potiahnutý grafén, čo viedlo k počiatočným Coulombovým účinnostiam (CE) 83 %, 69 %, 37 % a 20 %. Nízka reverzibilná kapacita a počiatočné CE AC–Si sa pripisujú defektom AC vrstiev, ktoré zachytávajú Li ióny. Grafénový povlak má drastický rozdiel vo výkonnosti cyklov (obrázok 4c a doplnkový obrázok 8). Pre spravodlivé porovnanie medzi vzorkami sme najprv nastavili plošnú kapacitu na 1 mAh cm−2. Za tohto obmedzenia bolo znižovanie kapacity ako 2 wt%-AC–Si, tak aj pôvodného Si výrazné už v raných cykloch, čo naznačuje, že jednoduchý AC povlak nie je vôbec prevádzkovaných. Medzi oboma vzorkami Gr–Si, 5 wt%-Gr–Si vykazovalo lepšiu výkonnosť ako 1 wt%-Gr–Si (85 % oproti 70 % retencie po 200 cykloch), čo naznačuje, že v závislosti od plošnej kapacity je obsah grafénu kritický. Nižšia retencia 1 wt%-Gr–Si sa dá vysvetliť občasnou tvorbou defektov, ako sme pozorovali v našej TEM štúdii založenej na rovnakom obsahu grafénu (obrázok 3e). Pre vzorku s 5 wt% grafénu bolo testovanie 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 bola retencia kapacity po 100 cykloch 96 %, 91 % a 43 %, resp. Tieto vzorky tiež poskytli dobré CE 99,6 %, 99,3 % a 99,4 % po 100 cykloch, resp. Vplyv konformného grafénového povlaku na štrukturálnu integritu Si NP bol objasnený postmortálnymi skenovacím elektrónovým mikroskopom (SEM) a TEM obrazmi po 200 cykloch. Dokonca aj po 200 cykloch SEM obraz 5 wt%-Gr–Si vizualizoval jednotlivé NP s jasnými hranicami častíc (obrázok 4d). Naopak, SEM obraz 2 wt%-AC–Si ukázal, že vrstvy pevného elektrolytového medzivrstvy (SEI) pretiekli a pochovali jednotlivé NP, čo naznačuje význam grafénového povlaku na stabilite vrstiev SEI. TEM analýzy (obrázok 4e a doplnkové obrázky 9–11) 5 wt%-Gr–Si vizualizovali zachované jednotlivé vrstvy grafénového povlaku, čím potvrdili ich robustnú integráciu so Si NP počas opakovaných veľkých objemových zmien opäť prostredníctvom posúvacieho procesu. Okrem toho hrúbka filmu 5 wt%-Gr–Si s 3 mAh cm−2 sa po prvom cykle zvýšila o 51,3 % (15,0 → 22,7 μm), čo je podstatne menej ako (77,4 %, 10,2 → 18,1 μm) 5 wt%-Super P-pôvodného Si, dokonca s polovičnou plošnou špecifickou kapacitou 1,5 mAh cm−2. in situ Podľa TEM obrazov po prvej delitiácii (doplnkový obrázok 10) a 200. delitiácii (doplnkový obrázok 11) medzivrstvová vzdialenosť vrstiev grafénu zostala na ~3,8 Å, čo naznačuje, že posúvací proces nie je úplne reverzibilný. Tieto javy sa pripisujú kombinovanému účinku tvorby vrstvy SEI a zvyškových Li iónov medzi vrstvami grafénu, spolu s menším objemovým zmrštením počas prvej delitiácie ako objemovou expanziou prvej litiácie. Napriek tomu vrstvy grafénu zostávajú zakorenené na povrchoch Si a naďalej plnia svoje pôvodné úlohy ako vodivého činidla a tlmiaceho média na absorbovanie objemovej expanzie Si. Grafénový povlak má tiež výrazný vplyv na rýchlostnú schopnosť využívajúcu jeho dobre rozvinutú prechodovú sieť. Dokonca aj pri vysokej plošnej kapacite 3 mAh cm−2, 20-násobné zvýšenie C-rate z 0,5 na 10 C stále zachovalo 90 % počiatočnej kapacity. Treba zdôrazniť, že priamy rast grafénu na Si NP použitý tu sa zásadne líši od predchádzajúcich prác, kde sa jednoduchá zmes Si NP a redukovaného grafitového oxidu pripravuje roztokovým procesom, pretože v prípade roztokových procesov nie je možné úplné zapuzdrenie Si NP [42–47]. Na kompenzáciu tohto nedostatku je potrebné výrazne zvýšiť obsah redukovaného grafitového oxidu, čo zase obetuje špecifickú kapacitu a CE. Z podobných dôvodov žiadny z predchádzajúcich povlakov z uhlíkových nanomateriálov pripravených roztokovými procesmi nedosiahol stabilnú výkonnosť cyklov 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 wt%-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 kremíkových častíc za predpokladu ich ideálneho usporiadania (podrobnosti v popise obrázka). Súčasné hodnoty sú oveľa vyššie ako hodnota (550 mAh cm−3) súčasných komerčných anód na báze grafitu. Na ďalšie posúdenie praktickej životaschopnosti 5 wt%-Gr–Si bola skúmaná výkonnosť plného článku 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 vodič, hrúbka Gr–Si=15 μm) dosahuje objemová hustota energie plného článku 972 Wh l−1. Táto hodnota je pozoruhodná, pretože je 1,8-krát vyš