```html
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Autorë: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 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 Silikoni po merr vëmendje të dukshme si material aktiv për anode të baterive të jonit të litiumit të gjeneratës së ardhshme, për shkak të kapacitetit të tij të pametëshëm gravimetrik. Sidoqoftë, ndryshimi i madh vëllimor i silikonit gjatë cikleve të ngarkimit-shkarkimit dobëson konkurrueshmërinë e tij në densitetin energjetik vëllimor dhe jetëgjatësinë e ciklit. Këtu ne raportojmë rritjen direkte të grafitit mbi nanopjesëzat e silikonit pa formimin e karbitit të silikonit. Shtresat e grafitit të mbërthyera në sipërfaqen e silikonit akomodojnë zgjerimin e vëllimit të silikonit përmes një procesi rrëshqitës midis shtresave fqinje të grafitit. Kur çiftëzohet me një katodë komerciale të kobaltit të litiumit dhe oksidit të litiumit, veshja e grafitit pa karbid silikoni i mundëson qelizës së plotë të arrijë densitete energjetike vëllimore prej 972 dhe 700 Wh l−1 në ciklin e parë dhe të 200-të, përkatësisht, 1.8 dhe 1.5 herë më të larta se ato të baterive aktuale komerciale të jonit të litiumit. Ky vëzhgim sugjeron se struktura shtresore dy-dimensionale e grafitit dhe integrimi i saj pa karbid silikoni me silikonin mund të shërbejnë si një prototip në avancimin e anodeve të silikonit drejt teknologjisë komercialisht të realizueshme. Hyrje Kapaciteti gravimetrik teorik i silikonit (Si) arrin pothuajse 4.000 mAh g−1. Kjo vlerë e pametëshme ka nxitur komunitetin e baterive të investojë përpjekje të konsiderueshme kërkimore, sepse kapaciteti i lartë gravimetrik mundëson rritjen e ndjeshme të densiteteve energjetike të baterive të jonit të litiumit (LIBs), dhe kështu t'i sjellë në realitet aplikimet e ardhshme të LIBs, si automjetet elektrike , , , , . Në dekadën e kaluar, janë zhvilluar struktura të ndryshme të avancuara të elektrodave , , , , , , , , , ,  dhe dizajne lidhëse , ,  për të zgjidhur problemet kronike të zbehjes së kapacitetit që rrjedhin nga ndryshimi i madh vëllimor i Si, duke çuar në performancë të përmirësuar ndjeshëm të ciklit edhe mbi mijëra cikle . Pavarësisht vlerës premtuese gravimetrike dhe progresit të konsiderueshëm në jetëgjatësinë e ciklit, shumica e anodeve Si të demonstruara deri më tani janë fokusuar kryesisht në kapacitetin gravimetrik, por nuk kanë ofruar një premtim të ngjashëm në kapacitetin e tyre vëllimor, sepse dizajnet ekzistuese të elektrodave mbështeten në hapësirë ​​të paracaktuar për të akomoduar zgjerimin e vëllimit të Si. Megjithatë, në shumë aplikime LIB, duke përfshirë elektronikën portative, densiteti energjetik vëllimor është një parametër kritik në përcaktimin e performancës së baterisë. Së bashku me një jetëgjatësi relativisht inferiore të ciklit, densiteti i dobët energjetik vëllimor është aktualisht një pengesë kryesore në zbatimin e anodeve Si në qelizat komerciale. Për të përmbushur këtë kërkesë kritike, teknologjia e anodeve Si duhet të rishikohet me dizajne të ndryshme elektrodash që ofrojnë performancë të qëndrueshme të ciklit, ndërsa vëllimi i elektrodës minimizohet. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 11 Edhe pse një shumëllojshmëri e morfologjive Si dhe kompozitet e tyre me materiale të tjera përçuese janë aktualisht në dispozicion, për një zgjidhje të menjëhershme të prodhimit aktual që kërkon kontroll cilësie me standarde të larta, sinteza e lehtë dhe e shkallëzuar e komponenteve aktive Si është thelbësore. Nga pikëpamja e aplikimit praktik, midis një numri të madh kandidatësh të realizueshëm, përdorimi i nanopjesëzave komerciale të silikonit (NPs) me një veshje sipërfaqësore përçuese të thjeshtë dhe efikase do të ishte shumë e dëshirueshme. Janë hetuar materiale të ndryshme përçuese, duke përfshirë karbonin amorf (AC), si materiale veshëse për anode Si NP , , . Megjithatë, shumica e tyre dështojnë të ofrojnë performancë të qëndrueshme të ciklit afatgjatë, sepse materialet e veshjes së zbatuara nuk janë në gjendje të akomodojnë zgjerimin e vëllimit të Si dhe për pasojë thyhen gjatë cikleve të përsëritura. 8 20 21 Në një përpjekje për të adresuar kufizimin e veshjeve përçuese të mëparshme, si dhe për të arritur performancë të mirë të ciklit me një densitet energjetik vëllimor dukshëm më të lartë, në këtë studim, ne miratojmë grafitin me shtresa të shumta të rritur drejtpërdrejt në sipërfaqen e Si si material veshës. Karakteri dy-dimensional (2D) shtresor i grafitit ofron një funksionim unik dhe efikas të anodeve Si, pasi grafiti me shtresa të shumta mund të akomodojë zgjerimin e vëllimit të Si përmes një procesi rrëshqitës midis shtresave fqinje pa pasur nevojë për hapësirë vakante paraprakisht në elektrodën e bërë. Gjithashtu, topi me veshje grafiti Si NP tregon 12.8 S cm−1 në një përmbajtje margjinale grafiti prej 1% peshë përmes një rrjeti të lartë përkolant. Për këtë qëllim, ne kapërcejmë sfidën e rritjes së grafitit drejtpërdrejt në sipërfaqet e Si pa formim karbid silikoni (SiC) duke zhvilluar një proces të depozitimit kimik në fazë avullore (CVD) që përfshin një oksidues të butë. Formimi i SiC është fatal në operacionet e anodeve Si, sepse SiC është një izolator elektrik me karakteristika të dobëta defekti. Për më tepër, SiC është joaktiv në reagimin me jonet Li dhe rrjedhimisht pengon difuzionin e joneve Li në fazën Si. Me ndihmën e procesit të rrëshqitjes së shtresës së grafitit dhe përçueshmërisë së përmirësuar, NP-të Si me veshje grafiti arrijnë një kapacitet vëllimor prej 2.500 mAh cm−3 (kundrejt 550 mAh cm−3 të grafitit komercial), vlera më e lartë nga ato të raportuara deri më sot për ndonjë anode LIB, ndërsa shfaqin performancë të shkëlqyer të ciklit dhe shpejtësisë. Rezultatet Rritja e grafitit pa SiC në Si Rritja e drejtpërdrejtë e grafitit me cilësi të lartë në Si përmes procesit CVD është provuar sfiduese , sepse kushtet tipike të sintezës së grafitit kërkojnë një atmosferë reduktuese që tenton të heqë shtresën native të oksidit të Si nga sipërfaqja e Si, dhe më pas nxit një reaksion midis Si dhe paraardhësve të dekompozuar të karbonit për të formuar SiC . Qasja jonë fillestare duke përdorur metan (CH4) si paraardhës karboni të përzier me H2, në të vërtetë nuk arriti të realizojë rritjen e grafitit në NP-të Si ( ), duke dhënë vetëm β-SiC ( ). Për të kapërcyer këtë kufizim, ne përfshijmë dioksidin e karbonit (CO2), një oksidues të butë, në procesin CVD së bashku me CH4 (ref. , ). Përfshirja e CO2 na lejon të shmangim formimin e SiC dhe gjithashtu të ulim temperaturën e rritjes krahasuar me rritjen e njohur të grafitit në sipërfaqe . Në eksperimentin tonë, në 900°C, rritja e grafitit ishte e paplotë ose jo-homogjene ( ), ndërsa rritja e grafitit në 1.100°C prodhoi shtresa oksiduese në sipërfaqen e Si që janë shumë të trasha për difuzion efikas të joneve Li ( ). Në një temperaturë të ndërmjetme prej 1.000°C, u formuan 2–10 shtresa grafiti siç tregohet në imazhet e mikroskopisë elektronike me transmetim (TEM) ( ), duke shfaqur qartë strukturën shtresore si dhe distancën ndërshtresore pranë 3.4 Å ( , futje). Një vëzhgim më i afërt tregon se shtresat individuale janë të mbërthyera drejtpërdrejt në sipërfaqen e pjesëzës Si në skajet e tyre (shigjeta të kuqe në  ) dhe janë paralele me sipërfaqen Si. Këto shtresa grafiti të rregulluara mirë mund të ruajnë strukturën e tyre shtresore edhe gjatë litimit përmes një procesi rrëshqitës ( ), duke ofruar kështu një mjet elegant për të akomoduar zgjerimin e vëllimit të Si. Rritja e grafitit është tentuar në sipërfaqet e dioksidit të silikonit (SiO2) duke përdorur CH4 dhe H2 (ref. , ). Megjithatë, rritja e grafitit në ato procese ishte shumë joefikase ose nuk shmange formimin e SiC. Rritja joefikase i atribuohet vendeve katalitike të pamjaftueshme në sipërfaqen SiO2. Në kontrast, në procesin tonë, shtimi i CO2 gjeneron më shumë vende katalitike në formën e SiO  me disa defekte. 22 23 Fig. Suppl. 1 Fig. Suppl. 2 24 25 23 Fig. Suppl. 3 Fig. Suppl. 4 Fig. 1a,b Fig. 1b Fig. 1c Fig. 1d 26 27 x   ( ) Një imazh TEM me zmadhim të ulët i NP Gr–Si. ( ) Një imazh TEM me zmadhim më të lartë për të njëjtin NP Gr–Si nga kutia e bardhë në  . (Futjet) Profili vijë nga dy kutitë e kuqe tregojnë se distanca ndërshtresore midis shtresave të grafitit është ~3.4 Å, në përputhje të mirë me atë të shtresave tipike grafiti bazuar në ndërveprimin van der Waals. ( ) Një imazh TEM me zmadhim të lartë që vizualizon origjinën (shigjeta të kuqe) nga të cilat rriten shtresa individuale grafiti. ( ) Një ilustrim skematik që tregon procesin e rrëshqitjes së shtresave të veshjes së grafitit që mund të amortizojnë zgjerimin e vëllimit të Si. a b a c d Rritja e grafitit pa SiC u verifikua si nga analizat në shkallë masive ashtu edhe nga ato në shkallë individuale. Profili i spektroskopisë fotoelektronike me rreze X në brezin Si 2  ( ) si dhe spektrat e difraksionit me rreze X (XRD) ( ) nuk tregojnë asnjë pikë përkatëse për SiC për Si me veshje grafiti (Gr–Si), Si me veshje AC (AC–Si) dhe Si të pastër, në kontrast me një mostër kontrolli (SiC–Si) të sintetizuar përmes një rruge pa CO2 duke përdorur CH4 dhe H2. Nga ana tjetër, një imazh TEM skanues duke përdorur gjysmëdhënien e errët me kënd të lartë tregoi se NP-të Si kanë një strukturë bërthamë-mbështjellës me bërthamë më të ndritshme dhe mbështjellës relativisht më të errët, i atribuar bërthamës Si dhe një veshje oksidi ( ). Spektret e humbjes së energjisë së elektroneve (EELS) ( ) të marra për pika të shumta në NP nuk treguan ndonjë sinjal  që pasqyron formimin e SiC, duke konfirmuar rritjen pa SiC në procesin aktual të rritjes. Gjithashtu, sinjalet SiO2 në 108 eV u zbuluan në pikat 1 dhe 2 më fort se pikat e tjera në qendër, duke nënkuptuar se sipërfaqja SiO2 shërben si vende katalitike për rritjen e grafitit. Prania e vazhdueshme e shtresave sipërfaqësore SiO2 u verifikua gjithashtu nga karakterizimi XRD ( ) dhe EELS ( ). p Fig. 2a Fig. Suppl. 2 Fig. 2b Fig. 2c 28 Fig. Suppl. 2 Fig. 2b,c   ( ) Spektret e spektroskopisë fotoelektronike me rreze X në brezin Si 2  për Gr–Si, SiC–Si, AC–Si dhe Si të pastër. ( ) Një imazh TEM skanues i një NP Gr–Si. ( ) Spektret EELS për pikat e shënuara në  . a p b c b Analiza TEM *in situ* Tani i kthehemi përdorimit të Gr–Si si material anode në LIBs. Litimi i NP-ve Gr–Si (1% peshë grafiti) u monitorua në kohë reale gjatë zgjerimit të vëllimit të tyre duke përdorur analizën TEM *in situ* , , , . Në eksperimentin aktual, disa pjesëza Gr–Si u vendosën mbi një elektrodë të fiksuar me ar (Au). Një elektrodë e dytë, por e lëvizshme, me Li/LiO2 në majën e saj u pozicionua për të kontaktuar NP-të Gr–Si për t'i lituar ato ( ). Sapo u bë kontakti me elektrodën e dytë, pjesëzat filluan të fryhen ( ). Detaje më të mëdha mbi këtë proces mund të shihen në   dhe  . U vëzhguan dy lloje strukturash zgjeruese, përkatësisht pjesëza jo-defektuese dhe pjesëza defektuese siç janë theksuar në  . Në rastet kur grafiti mbështjell plotësisht pjesëzën dhe nuk ka defekte të dukshme ( ), diametri u rrit me ~30% (zgjerim vëllimi 220%). Në fund të litimit, distanca ndërshtresore e shtresave të grafitit u rrit në 3.8 Å, duke pasqyruar ndërhyrjen e Li , dhe karakteri shtresor i veshjes grafitike u ruajt rreth NP ( ), duke sugjeruar një proces rrëshqitës midis shtresave siç ilustrohet në  . Në rastet kur ekziston një rajon defektues (shih rrethin blu në  ), gjatë fryrjes, pjesëza e brendshme copëtohet dhe çahet përmes defektit ( ). Sjelljet e dallueshme të thyerjes së vëzhguara ka të ngjarë të mos jenë nga madhësia e pjesëzës, pasi një pjesëzë e mbështjellë më e madhe se ajo e thyer në   nuk u thye (shih pjesëzat e treguara në 0 dhe 40 s në  ). Gjithashtu, vëzhgimi i fundit  tregon se nëse nuk janë të mbështjella, edhe pjesëza më të vogla Si (<50 nm) mund të thyhen për shkak të gradientit të përqendrimit të Li brenda pjesëzave, gjë që mund të krijojë stres të konsiderueshëm. Në fakt, madhësia kritike e thyerjes së pjesëzave Si varet nga rasti, dhe lidhet me efektivitetin me të cilin stresi i krijuar gjatë zgjerimit të vëllimit mund të lirohet. Madhësia kritike mund të shtrihet në >200 nm (ref. ). 29 30 31 32 Fig. 3a Fig. 3b Fig. Suppl. 5 Filmat Suppl. 1–3 Fig. 3b,c Fig. 3d 33 Fig. 3d Fig. 3c Fig. 3a Fig. 3e Fig. 3 Fig. Suppl. 5 34 35   ( ) NP Gr–Si të lidhura me sipërfaqen e telit Au dhe një elektrodë të dytë Li/LiO2. ( ) Të njëjtat NP Gr–Si pas litimit. ( ) Një përmbledhje skematike e NP Gr–Si të lituar si për mbështjellje grafiti jo-defektuese ashtu edhe defektuese. ( , ) Imazhe TEM të afërta për ( ) pjesëzën jo-defektuese (ajo e rrethuar me vijë të kuqe në   dhe  ) dhe ( ) pjesëzën defektuese (ajo e rrethuar me vijë blu në   dhe  ). Spektret EELS në të dy rastet konfirmojnë litimin. Profili vijë nga kutitë e kuqe në të dy rastet tregojnë distanca të rritura ndërshtresore prej rreth 3.8 Å, duke pasqyruar litimin në hapësirën ndërshtresore të grafitit. a b c d e d a b e a b Analiza lokale EELS gjatë litimit verifikon litimin e Si për të dy rastet përmes një skaji Li *K* të turbullt pranë 55 eV, si dhe skajit Si *L* në 100 eV ( ; ref. ). Shtresa e treguar në sipërfaqen e grafitit në   i atribuohet mbetjes Li/Li2O. Në esencë, shtresat e grafitit ruajnë integrimin me Si përmes rrënjëve të tyre të lidhura kimikisht në sipërfaqen Si, dhe në të njëjtën kohë, procesi rrëshqitës lejon veshjen e grafitit me pak shtresa të akomadojë zgjerimin e vëllimit të Si. Në një eksperiment të veçantë TEM *ex situ* me elektrodën Gr–Si LIB, u vëzhgua se numri mesatar i shtresave të grafitit të matur në vende të ndryshme u ul nga 9.4 në 5.6 shtresa ( ) pas litimit të parë, duke ripohuar procesin e rrëshqitjes ndërshtresore. Fig. 3d,e 36 Fig. 3d Fig. Suppl. 6 Mbështjellja e grafitit dhe procesi i rrëshqitjes ndërshtresore ushtrojnë një forcë shtrënguese që ndihmon në ruajtjen e integritetit të pjesëzave Si gjatë zgjerimit të vëllimit. Megjithatë, kjo mekanizëm shtrëngues nuk duket të ndikojë në difuzionin e Li, pasi arrihen kapacitete specifike të mira në matjet elektrokimike. Është gjithashtu e dukshme se zgjerimi vëllimor i pjesëzave ishte, në përgjithësi, uniform në të gjitha drejtimet radiale, edhe pse pika e kontaktit me elektrodën e dytë është shumë e lokalizuar. Kjo thekson prirjen e shtresave të grafitit për difuzion homogjen të joneve Li në bërthamën Si (shih vijat e kuqe dhe portokalli në  ). Analiza *in situ* tregon gjithashtu se difuzioni i Li përmes shtresave të grafitit është mjaft i shpejtë, në përputhje me studimet e mëparshme , . Gjithashtu, vihet re se efekti shtrëngues i vëzhguar vjen kryesisht nga shtresat e veshjes së grafitit dhe jo nga shtresat native të oksidit sipërfaqësor, sepse shtresat e oksidit sipërfaqësor janë shumë të holla për të pasur një efekt të rëndësishëm. Efekti shtrëngues bazuar në shtresat e oksidit sipërfaqësor është vëzhguar vetëm kur Si ka struktura të zbrazëta ,  ose shtresat e oksidit janë shumë të trasha . Fig. 3a,b 30 37 7 11 38 Matjet e përçueshmërisë dhe elektrokimike Pas rritjes së grafitit, përçueshmëria e tubacionit të materialit aktiv bëhet dukshëm e

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

Kjo audio është prodhuar në gjuhën origjinale të tregimit!

Një përparim në grafen mund t'i bëjë bateritë e automjeteve elektrike të zgjasin më gjatë dhe të ruajnë më shumë energji.

About Author

KOMENTE

VARUR TAGS

KY ARTIKU U PARAQIT NË

Related Stories

Rrjeti SQD sapo vrau emetimet e tokenëve.Ja çfarë paguan 16 miliardë dollarë në DeFi TVL

Rrjeti SQD sapo vrau emetimet e tokenëve.Ja çfarë paguan 16 miliardë dollarë në DeFi TVL

Light-Mode

Classic

Newspaper

Minty

Dark-Mode

Neon Noir

Minty

HN StartUps