
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Waandishi: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 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 Muhtasari Silikoni inapata umakini unaoweza kutambulika kama nyenzo inayotumika kwa ajili ya betri za taa za taa za kizazi kijacho kwa sababu ya uwezo wake mkuu wa uzito. Hata hivyo, mabadiliko makubwa ya kiasi cha silikoni juu ya mizunguko ya kuchaji-kutoza hupunguza ushindani wake katika msongamano wa nishati ya ujazo na maisha ya mzunguko. Hapa tunaripoti ukuaji wa moja kwa moja wa grafiti juu ya chembechembe za silikoni bila malezi ya kaboni ya silikoni. Tabaka za grafiti zilizounganishwa kwenye uso wa silikoni zinachukua upanuzi wa kiasi cha silikoni kupitia mchakato wa kuteleza kati ya tabaka za grafiti zinazopakana. Wakati umelinganishwa na katodi ya kawaida ya oksidi ya lithiamu kobalti, mipako ya grafiti isiyo na kaboni ya silikoni huruhusu seli kamili kufikia msongamano wa nishati ya ujazo wa 972 na 700 Wh l−1 kwenye mzunguko wa kwanza na wa 200, mtawalia, mara 1.8 na 1.5 zaidi ya betri za kawaida za lithiamu-ioni za sasa. Uchunguzi huu unaonyesha kuwa muundo wa tabaka mbili wa grafiti na ushirikiano wake bila kaboni ya silikoni na silikoni unaweza kutumika kama mfano katika kuendeleza vipengele vya silikoni hadi teknolojia inayofaa kibiashara. Utangulizi Uwezo wa uzito wa silikoni (Si) unafikia karibu 4,000 mAh g−1. Thamani hii isiyo na kifani imehamasisha jamii ya betri kuwekeza juhudi kubwa za utafiti kwa sababu uwezo mkuu wa uzito huwezesha kuongeza kwa kiasi kikubwa msongamano wa nishati wa betri za lithiamu-ioni (LIBs), na hivyo kuleta matumizi ya baadaye ya LIBs, kama vile magari ya umeme, kuwa uhalisia , , , , . Katika muongo mmoja uliopita, miundo mbalimbali ya juu ya elektrodi , , , , , , , , , ,  na miundo ya viunganisho , ,  ilitengenezwa ili kutatua maswala sugu ya kupungua kwa uwezo yanayotokana na mabadiliko makubwa ya kiasi ya Si, na kusababisha utendaji bora wa mzunguko hata baada ya maelfu ya mizunguko . Licha ya thamani ya uzito inayohitajiwa na maendeleo makubwa katika maisha ya mzunguko, sehemu kubwa ya vipengele vya Si vilivyoonyeshwa hadi sasa vimezingatia sana uwezo wa uzito lakini havijatoa ahadi sawa katika uwezo wao wa ujazo kwa sababu miundo ya elektrodi iliyopo inategemea nafasi ya utupu iliyofafanuliwa awali kuchukua upanuzi wa kiasi cha Si. Katika matumizi mengi ya LIB ikiwa ni pamoja na vifaa vya elektroniki vinavyobebeka, hata hivyo, msongamano wa nishati ya ujazo ni kigezo muhimu katika kuamua utendaji wa betri. Pamoja na maisha marefu ya mzunguko, msongamano duni wa nishati ya ujazo kwa sasa ni kizuizi kikuu katika kutekeleza vipengele vya Si katika seli za kibiashara. Ili kukidhi mahitaji haya muhimu, teknolojia ya vipengele vya Si inahitaji kuchunguzwa tena na miundo tofauti ya elektrodi inayotoa utendaji thabiti wa mzunguko wakati kiasi cha elektrodi kinapunguzwa. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 11 Ingawa aina mbalimbali za maumbo ya Si na nyenzo zake mchanganyiko na nyenzo zingine za kondakta zinapatikana kwa sasa, kwa suluhisho la haraka kwa utengenezaji halisi unaohitaji udhibiti wa ubora wa kiwango cha juu, utengenezaji rahisi na unaoweza kuongezwa wa vipengele vya Si vinavyofanya kazi ni muhimu. Kwa mtazamo wa matumizi ya vitendo, kati ya wagombea wengi wanaowezekana, matumizi ya chembechembe ndogo za silikoni za kibiashara (NPs) na mipako rahisi na yenye ufanisi ya uso ya kondakta itakuwa ya kuhitajika sana. Nyenzo mbalimbali za kondakta ikiwa ni pamoja na kaboni isiyo na umbo (AC) zimechunguzwa kama nyenzo za mipako kwa vipengele vya Si NP , , . Hata hivyo, wengi wao wameshindwa kutoa utendaji thabiti wa mzunguko wa muda mrefu kwa sababu nyenzo za mipako zilizotekelezwa haziwezi kuchukua upanuzi wa kiasi cha Si na kwa hiyo kuvunjika baada ya mizunguko ya mara kwa mara. 8 20 21 Katika jaribio la kushughulikia kikomo cha mipako ya zamani ya kondakta na pia kufikia utendaji mzuri wa mzunguko na msongamano wa juu zaidi wa nishati ya ujazo, katika utafiti huu, tunatumia grafiti nyingi moja kwa moja iliyokuzwa kwenye uso wa Si kama nyenzo ya mipako. Tabia ya tabaka mbili (2D) ya grafiti hutoa operesheni ya kipekee na yenye ufanisi ya vipengele vya Si kwani grafiti iliyo na tabaka nyingi inaweza kuchukua upanuzi wa kiasi cha Si kupitia mchakato wa kuteleza kati ya tabaka zinazopakana bila hitaji la kutoa nafasi ya utupu   katika elektrodi iliyotengenezwa tayari. Pia, kwa kuwa chembechembe za Si zilizo na mipako ya grafiti zinaonyesha 12.8 S cm−1 kwenye kiwango cha chini cha grafiti cha 1% kwa uzito kupitia mtandao wa juu wa uti wa mgongo. Kwa hili, tunashinda changamoto ya kukua kwa grafiti moja kwa moja kwenye nyuso za Si bila malezi ya kaboni ya silikoni (SiC) kwa kutengeneza mchakato wa upimaji wa kemikali (CVD) unaohusisha kioksidishaji laini. Uundaji wa SiC ni mbaya katika operesheni za vipengele vya Si kwa sababu SiC ni kondakta wa umeme na sifa duni za kasoro. Zaidi ya hayo, SiC haifanyi kazi katika kuathiriana na ioni za Li na kwa hiyo huzuia upenyezaji wa ioni za Li kwenye awamu ya Si. Kwa usaidizi wa mchakato wa kuteleza wa tabaka ya grafiti na conductivity iliyoimarishwa, chembechembe za Si zilizo na mipako ya grafiti hufikia uwezo wa ujazo wa 2,500 mAh cm−3 (ikilinganishwa na 550 mAh cm−3 ya grafiti ya kibiashara), thamani ya juu zaidi kati ya zile zilizoripotiwa hadi sasa kwa vipengele vyovyote vya LIB huku zikionyesha utendaji bora wa mzunguko na kasi. kabla Matokeo Ukuaji wa grafiti bila SiC kwenye Si Ukuaji wa moja kwa moja wa grafiti ya hali ya juu kwenye Si kupitia mchakato wa CVD umeonekana kuwa changamoto  kwa sababu hali za kawaida za utengenezaji wa grafiti zinahitaji angahewa ya kupunguza ambayo huwa na kuondoa tabaka la asili la oksidi la Si kutoka kwa uso wa Si, na kisha kuendesha mmenyuko kati ya Si na prekursor za kaboni zilizovunjwa ili kuunda SiC . Njia yetu ya awali ya kutumia methane (CH4) kama prekursor ya kaboni iliyochanganywa na H2 haikuweza kufikia ukuaji wa grafiti kwenye Si NPs ( ), hivyo kuzalisha tu β-SiC ( ). Ili kushinda kikomo hiki, tulijumuisha dioksidi kaboni (CO2), kioksidishaji laini, katika mchakato wa CVD pamoja na CH4 (rejeleo.  ,  ). Kujumuishwa kwa CO2 huruhusu kuepuka malezi ya SiC na pia kupunguza joto la ukuaji ikilinganishwa na ukuaji wa grafiti unaojulikana juu ya uso . Katika jaribio letu, kwa 900 °C, ukuaji wa grafiti haukukamilika au haukuwa sare ( ), wakati ukuaji wa grafiti kwa 1,100 °C ulitoa tabaka za oksidi kwenye uso wa Si ambazo ni nene sana kwa upenyezaji mzuri wa ioni za Li ( ). Kwa joto la kati la 1,000 °C, tabaka 2–10 za grafiti ziliundwa kama inavyoonekana katika picha za darubini ya elektroni ya upitishaji (TEM) ( ) zikionyesha wazi muundo wa tabaka na umbali kati ya tabaka karibu na 3.4 Å ( , ndani). Uchunguzi wa karibu zaidi unaonyesha kuwa tabaka za kibinafsi zimeunganishwa moja kwa moja kwenye uso wa chembechembe za Si kwenye miisho yao (mishale mekundu katika  ) na huenda sambamba na uso wa Si. Tabaka hizi za grafiti zilizopangwa vizuri zinaweza kudumisha muundo wao wa tabaka hata wakati wa lithiation kupitia mchakato wa kuteleza ( ), hivyo kutoa njia ya kifahari ya kuchukua upanuzi wa kiasi cha Si. Ukuaji wa grafiti umejaribiwa kwenye nyuso za oksidi ya silikoni (SiO2) kwa kutumia CH4 na H2 (rejeleo.  ,  ). Hata hivyo, ukuaji wa grafiti katika michakato hiyo haukuwa na ufanisi sana au haukuepuka malezi ya SiC. Ukuaji usio na ufanisi unasababishwa na maeneo ya kutosha ya kichocheo kwenye uso wa SiO2. Kwa upande mwingine, katika mchakato wetu, kuongezwa kwa CO2 hutengeneza maeneo zaidi ya kichocheo kwa njia ya SiO  na kasoro kadhaa. 22 23 Mtini 1 wa Nyongeza Mtini 2 wa Nyongeza 24 25 23 Mtini 3 wa Nyongeza Mtini 4 wa Nyongeza Mtini 1a,b Mtini 1b Mtini 1c Mtini 1d 26 27 x   ( ) Picha ya TEM ya mwanga wa chini ya NP ya Gr–Si. ( ) Picha ya TEM ya mwanga wa juu zaidi kwa NP sawa ya Gr–Si kutoka kwa sanduku nyeupe katika  . (Ndani) Profaili za mistari kutoka kwa masanduku mawili mekundu zinaonyesha kuwa nafasi kati ya tabaka za grafiti ni ∼3.4 Å, sawa na ile ya tabaka za kawaida za grafiti kulingana na mwingiliano wa van der Waals. ( ) Picha ya juu zaidi ya TEM inayoonyesha asili (mishale mekundu) ambapo tabaka za grafiti binafsi hukua. ( ) Mchoro unaoonyesha mchakato wa kuteleza wa tabaka za mipako ya grafiti ambazo zinaweza kuweka bafa kwa upanuzi wa kiasi cha Si. a b a c d Ukuaji wa grafiti bila SiC ulithibitishwa na uchambuzi wa kiwango kikubwa na cha chembe moja. Profaili za X-ray photoelectron spectroscopy katika bendi ya Si 2  ( ) pamoja na spectra za X-ray diffraction (XRD) ( ) hazionyeshi kilele chochote kinacholingana na SiC kwa grafiti yenye mipako ya Si (Gr–Si), Si yenye mipako ya AC (AC–Si) na Si safi, kinyume na sampuli ya udhibiti (SiC–Si) iliyotengenezwa kupitia njia isiyo na CO2 kwa kutumia CH4 na H2. Kwa upande mwingine, picha ya skanning ya TEM ikitumia annilu ya hali ya juu sana ilionyesha kuwa Si NP ina muundo wa msingi-ganda na msingi mkali na ganda la giza kiasi linalohusishwa na msingi wa Si na mipako ya oksidi ( ). Spectra za electron energy loss spectroscopy (EELS) ( ) zilizopatikana kwa maeneo mengi kwenye NP hazikuonyesha ishara zozote  zinazoonyesha malezi ya SiC, ikithibitisha ukuaji usio na SiC katika mchakato wa sasa wa ukuaji. Pia, ishara za SiO2 kwa 108 eV zilipatikana katika maeneo 1 na 2 kwa nguvu zaidi kuliko maeneo mengine katikati, ikionyesha kuwa nyuso za SiO2 hufanya kama maeneo ya kichocheo kwa ukuaji wa grafiti. Uwepo unaoendelea wa tabaka za uso za SiO2 ulithibitishwa pia na XRD ( ) na utambulisho wa EELS ( ). p Mtini 2a Mtini 2 wa Nyongeza Mtini 2b Mtini 2c 28 Mtini 2 wa Nyongeza Mtini 2b,c   ( ) Spectra za X-ray photoelectron spectroscopy katika bendi ya Si 2  kwa Gr–Si, SiC–Si, AC–Si na Si safi. ( ) Picha ya skanning ya TEM ya NP ya Gr–Si. ( ) Spectra za EELS kwa maeneo yaliyoonyeshwa katika  . a p b c b Uchambuzi wa TEM wa  In situ Sasa tunageukia matumizi ya Gr–Si kama nyenzo ya vipengele vya anodi katika LIBs. Lithiation ya Gr–Si NPs (1% grafiti kwa uzito) ilifuatiliwa kwa wakati halisi wakati wa upanuzi wao wa kiasi kwa kutumia uchambuzi wa TEM wa  , , , . Katika jaribio halisi, chembechembe za Gr–Si zilikuwa zimewekwa kwenye elektrodi iliyofungwa kwa dhahabu (Au). Elektrodi ya pili, lakini inayoweza kusonga, yenye Li/LiO2 kwenye ncha yake iliwekwa ili kugusa chembechembe za Gr–Si ili kuzilithia ( ). Baada ya kugusana na elektrodi ya pili, chembechembe zilianza kuvimba ( ). Maelezo zaidi kuhusu mchakato huu yanaweza kuonekana katika   na  . Miundo miwili ya upanuzi ilionekana, yaani chembechembe zisizo na kasoro na chembechembe zenye kasoro kama zilivyoangaziwa katika  . Katika visa ambapo grafiti inafunika kabisa chembechembe na haina kasoro dhahiri ( ), kipenyo kiliongezeka kwa ∼30% (upanuzi wa kiasi cha 220%). Mwishoni mwa lithiation, umbali kati ya tabaka za grafiti uliongezeka hadi 3.8 Å kuonyesha kuingizwa kwa Li , na tabia ya tabaka ya mipako ya grafiti ilihifadhiwa pande zote za NP ( ), ikionyesha mchakato wa kuteleza kati ya tabaka kama ulivyoelezwa katika  . Katika visa ambapo kuna eneo lenye kasoro (tazama duara la kijani katika  ), wakati wa kuvimba, chembechembe ya ndani hupasuka na kupenya kupitia kasoro ( ). Tabia za kuvunjika zinazoonekana hazina uwezekano wa kutokana na ukubwa wa chembechembe, kwani chembechembe iliyofunikwa ambayo ni kubwa kuliko ile iliyovunjika katika   haikuvunjika (tazama chembechembe zilizoonyeshwa kwa 0 na 40 s katika  ). Pia, uchunguzi wa hivi karibuni  unaonyesha kuwa ikiwa haijafunikwa, hata chembechembe ndogo za Si (<50 nm) zinaweza kuvunjika kutokana na mteremko wa mkusanyiko wa Li ndani ya chembechembe ambazo zinaweza kusababisha mkazo mkubwa. Kwa kweli, saizi muhimu ya kuvunjika kwa chembechembe za Si hutegemea kesi, na inahusiana na jinsi mkazo unaojilimbikiza wakati wa upanuzi wa kiasi unavyoweza kutolewa kwa ufanisi. Ukubwa muhimu unaweza kuongezeka hadi >200 nm (rejeleo.  ). in situ 29 30 31 32 Mtini 3a Mtini 3b Mtini 5 wa Nyongeza Sinema 1–3 za Nyongeza Mtini 3b,c Mtini 3d 33 Mtini 3d Mtini 3c Mtini 3a Mtini 3e Mtini 3 Mtini 5 wa Nyongeza 34 35   ( ) Gr–Si NPs zilizounganishwa kwenye uso wa waya wa Au na elektrodi ya pili ya Li/LiO2. ( ) Gr–Si NPs zile zile baada ya lithiation. ( ) Muhtasari wa mchoro wa Gr–Si NPs zilizo na lithiation kwa ajili ya kufunika kwa grafiti isiyo na kasoro na yenye kasoro. ( , ) Picha za karibu za TEM kwa ( ) chembechembe isiyo na kasoro (iliyozungukwa na mstari mwekundu katika   na  ) na ( ) chembechembe yenye kasoro (iliyozungukwa na mstari wa bluu katika   na  ). Spectra za EELS katika visa vyote viwili vinathibitisha lithiation. Profaili za mistari kutoka kwa masanduku mekundu katika visa vyote viwili vinaonyesha umbali ulioongezeka kati ya tabaka wa takriban 3.8 Å, unaoonyesha kuingizwa kwenye nafasi ya tabaka ya grafiti. a b c d e d a b e a b Uchambuzi wa EELS wa ndani wakati wa lithiation unathibitisha lithiation ya Si kwa visa vyote viwili kupitia Li  -edge iliyojaa karibu na 55 eV pamoja na Si  -edge kwa 100 eV ( ; rejeleo.  ). Tabaka iliyoonyeshwa kwenye uso wa grafiti katika   inahusishwa na mabaki ya Li/Li2O. Kimsingi, tabaka za grafiti zinahifadhi ushirikiano na Si kupitia mizizi yao iliyounganishwa kwa kemikali kwenye uso wa Si, na wakati huo huo, mchakato wa kuteleza huruhusu mipako ya grafiti yenye tabaka chache kuchukua upanuzi wa kiasi cha Si. Katika jaribio tofauti la TEM la   na elektrodi ya Gr–Si LIB, ilionekana kuwa idadi ya wastani ya tabaka za grafiti zilizopimwa katika maeneo tofauti ilipungua kutoka tabaka 9.4 hadi 5.6 ( ) baada ya lithiation ya kwanza, ikithibitisha tena mchakato wa kuteleza kati ya tabaka. K L Mtini 3d,e 36 Mtini 3d ex situ Mtini 6 wa Nyongeza Ufunikaji wa grafiti na mchakato wa kuteleza kati ya tabaka huleta nguvu ya kufunga ambayo husaidia kudumisha uadilifu wa chembechembe za Si wakati wa upanuzi wa kiasi. Hata hivyo, utaratibu huu wa kufunga hauonekani kuathiri upenyezaji wa Li, kwani uwezo maalum mzuri hupatikana katika vipimo vya elektrokemikali. Pia ni muhimu kuzingatia kwamba upanuzi wa kiasi cha chembechembe ulikuwa, kwa ujumla, sare katika pande zote za radial hata ingawa uhakika wa kugusa na elektrodi ya pili umejilimbikizia sana. Hii inaangazia tabia ya tabaka za grafiti kwa upenyezaji sare wa ioni za Li kwenye msingi wa Si (tazama mistari ya nukta nyekundu na machungwa katika  ). Uchambuzi wa   pia unaonyesha kuwa upenyezaji wa Li kupitia tabaka za grafiti ni wa haraka sana, ukilingana na tafiti za awali , . Pia, inabainika kuwa athari ya kufunga iliyoonekana inatokana zaidi na tabaka za mipako ya grafiti kuliko tabaka za asili za oksidi za uso kwa sababu tabaka za oksidi za uso ni nyembamba sana kuwa na athari kubwa. Athari ya kufunga kulingana na tabaka za oksidi za uso imeonekana tu wakati Si ina miundo ya mashimo ,  au tabaka za oksidi ni nene sana . Mtini 3a,b in situ 30 37 7 11 38 Uwezo na vipimo vya elektrokemikali Baada ya ukuaji wa grafiti, uwezo wa mkusanyiko wa nyenzo zinazofanya kazi huimarishwa sana. Wakati chembechembe zilipofungwa kwa unga, Si safi ilionyesha uwezo wa chini wa <10−7 S cm−1, wakati hata kuongeza 1% ya grafiti kwa uzito kuliongeza uwezo kwa kiasi kikubwa hadi 12.8 S cm−1 ( ). Uimarishaji huu unasababishwa na tabia bora ya uti wa mgongo wa tabaka za mipako ya grafiti kwa njia ambayo grafiti ya 2D na mpangilio wake wa tabaka uliojipanga vizuri hukuza mtandao wa kondakta uliounganishwa vizuri ( ), na pia unalingana na kompoziti za grafiti-polima za awali . Uwezo uliendelea kuongezeka hadi 38.3 S cm−1 kwa Mtini 4a Mtini 7 wa Nyongeza 39

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

Sauti hii imetolewa katika lugha asilia ya hadithi!

Uvumbuzi wa Graphene Unaweza Kufanya Betri za EV Kivumilie Muda Mrefu na Kuhifadhi Nguvu Zaidi

About Author

MAONI

HANG TAGS

MAKALA HII ILIWASILISHWA NDANI

Related Stories

Master Crypto Security: Your Complete Guide to Safe Wallet Management

Speed up Swift compile time

Details of the Aerial Voyage.—Kennedy silenced

Sweet Security Unveils First Unified Detection And Response Platform

Master Crypto Security: Your Complete Guide to Safe Wallet Management

Speed up Swift compile time

Details of the Aerial Voyage.—Kennedy silenced

Sweet Security Unveils First Unified Detection And Response Platform

Light-Mode

Classic

Newspaper

Minty

Dark-Mode

Neon Noir

Minty

HN StartUps