```html
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 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 inapewa umakini unaoonekana kama nyenzo inayotumika kwa ajili ya betri za lithiamu-ioni za kizazi kijacho kwa sababu ya uwezo wake wa juu sana wa uzito. Hata hivyo, mabadiliko makubwa ya ujazo wa silikoni wakati wa mizunguko ya kuchaji-kutoza hupunguza ushindani wake katika wiani wa nishati ya ujazo na maisha ya mzunguko. Hapa tunaripoti kukua kwa grafiti moja kwa moja juu ya chembechembe ndogo za silikoni bila kutengenezwa kwa silikoni karbaidi. Tabaka za grafiti zilizounganishwa kwenye uso wa silikoni hurekebisha upanuzi wa ujazo wa silikoni kupitia mchakato wa kuteleza kati ya tabaka za grafiti zilizo karibu. Wakati vinavyolingana na katodi ya kibiashara ya lithiamu kobalti oksidi, mipako ya grafiti isiyo na silikoni karbaidi huruhusu seli kamili kufikia wiani wa nishati ya ujazo wa 972 na 700 Wh l−1 wakati wa mzunguko wa kwanza na wa 200, mtawalia, mara 1.8 na 1.5 zaidi kuliko betri za sasa za lithiamu-ioni za kibiashara. Uchunguzi huu unaonyesha kuwa muundo wa safu mbili-dimensional wa grafiti na ushirikiano wake usio na silikoni karbaidi na silikoni unaweza kutumika kama mfano katika kuendeleza anodi za silikoni kuwa teknolojia inayoweza kutumika kibiashara. Utangulizi Uwezo wa kinadharia wa uzito wa silikoni (Si) hufikia karibu 4,000 mAh g−1. Thamani hii isiyo na kifani imehamasisha jumuiya ya betri kuwekeza juhudi kubwa za utafiti kwa sababu uwezo mkuu wa uzito huwezesha kuongeza wiani wa nishati wa betri za lithiamu-ioni (LIBs) kwa kiasi kikubwa, na hivyo kuleta matumizi ya baadaye ya LIBs, kama vile magari ya kielektroniki, kuwa uhalisia , , , , . Katika muongo uliopita, miundo mbalimbali ya juu ya elektrodi , , , , , , , , , ,  na miundo ya binder , ,  ilitengenezwa ili kutatua matatizo sugu ya kupoteza uwezo yanayotokana na mabadiliko makubwa ya ujazo wa Si, na kusababisha utendaji bora wa mzunguko hata zaidi ya maelfu ya mizunguko . Licha ya thamani ya uzito inayovutia na maendeleo makubwa katika maisha ya mzunguko, zaidi ya anodi za Si zilizoonyeshwa hadi sasa zimezingatia zaidi uwezo wa uzito lakini hazijatoa ahadi sawa katika uwezo wao wa ujazo kwa sababu miundo iliyopo ya elektrodi hutegemea nafasi tupu iliyofafanuliwa awali ili kukidhi upanuzi wa ujazo wa Si. Katika matumizi mengi ya LIB ikiwa ni pamoja na vifaa vya kielektroniki vinavyobebeka, hata hivyo, wiani wa nishati ya ujazo ni kigezo muhimu katika kuamua utendaji wa betri. Pamoja na maisha duni ya mzunguko, wiani duni wa nishati ya ujazo kwa sasa ni kikwazo kikuu katika kutumia anodi za Si kwenye seli za kibiashara. Ili kukidhi mahitaji haya muhimu, teknolojia ya anodi ya Si inahitaji kutazamwa upya na miundo tofauti ya elektrodi inayotoa utendaji thabiti wa mzunguko huku ujazo wa elektrodi ukipunguzwa. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 11 Ingawa aina mbalimbali za morfologia za Si na mchanganyiko wake na vifaa vingine vya kondakta kwa sasa zinapatikana, 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. Kutoka kwa mtazamo wa matumizi ya vitendo, kati ya wagombea wengi wanaowezekana, matumizi ya chembechembe ndogo za silikoni (NPs) za kibiashara na mipako rahisi na yenye ufanisi ya uso yenye kondakta itakuwa ya kuhitajika sana. Vifaa mbalimbali vya kondakta ikiwa ni pamoja na kaboni isiyo na umbo (AC) vimechunguzwa kama vifaa vya mipako kwa anodi za Si NP , , . Hata hivyo, nyingi kati yao hazitoi utendaji thabiti wa mzunguko wa muda mrefu kwa sababu vifaa vya mipako vilivyotekelezwa haviwezi kukidhi upanuzi wa ujazo wa Si na kwa hivyo huvunjika wakati wa mizunguko inayorudiwa. 8 20 21 Katika jaribio la kushughulikia kikomo cha mipako ya awali ya kondakta na pia kufikia utendaji bora wa mzunguko na wiani wa juu zaidi wa nishati ya ujazo, katika utafiti huu, tunatumia grafiti nyingi iliyokuzwa moja kwa moja kwenye uso wa Si kama nyenzo ya mipako. Tabia ya safu mbili-dimensional (2D) ya grafiti hutoa operesheni ya kipekee na yenye ufanisi ya anodi za Si kwani grafiti yenye safu nyingi inaweza kukidhi upanuzi wa ujazo wa Si kupitia mchakato wa kuteleza kati ya tabaka zilizo karibu bila kuhitaji nafasi tupu   katika elektrodi iliyotengenezwa. Pia, pellet ya Si iliyopakwa grafiti inaonyesha 12.8 S cm−1 kwa maudhui madogo ya grafiti ya 1% kwa njia ya juu ya mtandao wa perkolation. Kwa lengo hili, tunashinda changamoto ya kukua grafiti moja kwa moja kwenye nyuso za Si bila malezi ya silikoni karbaidi (SiC) kwa kutengeneza mchakato wa upandikizaji wa mvuke wa kemikali (CVD) unaohusisha oksida laini. Uundaji wa SiC ni mbaya katika operesheni za anodi za Si kwa sababu SiC ni kondakta duni na ina sifa duni za kasoro. Zaidi ya hayo, SiC haifanyi kazi katika kuguswa na ioni za Li na kwa hivyo huzuia usafirishaji wa ioni za Li kwenye awamu ya Si. Kwa msaada wa mchakato wa kuteleza wa safu ya grafiti na uendeshaji ulioimarishwa, Si NPs zilizopakwa 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 anodi zozote za LIB huku zikionyesha utendaji bora wa mzunguko na kasi.
 awali Matokeo Ukuaji wa grafiti bila SiC juu ya Si Ukuaji wa moja kwa moja wa grafiti ya hali ya juu juu ya Si kupitia mchakato wa CVD umethibitika kuwa changamoto  kwa sababu hali za kawaida za utengenezaji wa grafiti zinahitaji angahewa ya kupunguza ambayo huwa na kuondoa safu ya asili ya oksidi ya Si kutoka kwa uso wa Si, na kisha husababisha mmenyuko kati ya Si na vikuu vya kaboni vilivyovunjika kuunda SiC . Njia yetu ya awali ya kutumia methani (CH4) kama kiambato cha kaboni kilichochanganywa na H2 haikuweza kufikia ukuaji wa grafiti kwenye Si NPs ( ), na hivyo kuzalisha tu β-SiC ( ). Ili kushughulikia kikwazo hiki, tuliingiza dioksidi kaboni (CO2), oksida laini, katika mchakato wa CVD pamoja na CH4 (rejea.  , ). Uingizaji wa CO2 huwezesha 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 haukuwa kamili au haukuwa sawa ( ), wakati ukuaji wa grafiti kwa 1,100 °C ulizalisha tabaka za oksidi kwenye uso wa Si ambazo ni nene sana kwa usafirishaji wa Li wenye ufanisi ( ). Kwa joto la kati la 1,000 °C, tabaka 2–10 za grafiti ziliundwa kama inavyoonekana katika picha za darubini ya upitishaji (TEM) ( ) zikionyesha kwa wazi muundo wa safu na umbali kati ya tabaka karibu na 3.4 Å ( , kidogo). Uchunguzi wa karibu zaidi unaonyesha kuwa tabaka za kibinafsi zimeunganishwa moja kwa moja kwenye uso wa chembe ya Si kwenye ncha zao (mishale myekundu katika  ) na ziko sambamba na uso wa Si. Hizi tabaka za grafiti zilizowekwa sawa zinaweza kudumisha muundo wao wa kupanga safu hata wakati wa lithiation kupitia mchakato wa kuteleza ( ), hivyo kutoa njia ya ustadi ya kukidhi upanuzi wa ujazo wa Si. Ukuaji wa grafiti umejaribiwa kwenye nyuso za Si oksidi (SiO2) kwa kutumia CH4 na H2 (rejea.  , ). Hata hivyo, ukuaji wa grafiti katika michakato hiyo ulikuwa haufanyi kazi sana au haukuepuka malezi ya SiC. Ukuaji usio na ufanisi unasababishwa na maeneo madogo ya kichocheo kwenye uso wa SiO2. Kinyume chake, katika mchakato wetu, nyongeza ya CO2 huunda maeneo zaidi ya kichocheo kwa njia ya SiO  na kasoro fulani. 22 23 Additional Fig. 1 Additional Fig. 2 24 25 23 Additional Fig. 3 Additional Fig. 4 Mchoro 1a,b Mchoro 1b Mchoro 1c Mchoro 1d 26 27 x   ( ) Picha ya TEM ya utazamaji wa chini ya kiwango cha Gr–Si NP. ( ) Picha ya TEM ya utazamaji wa juu zaidi kwa Gr–Si NP sawa kutoka kwenye kisanduku cheupe kwenye  . (Vidogo) Profaili za mstari kutoka kwa visanduku viwili vyekundu vinaonyesha kuwa umbali kati ya tabaka za grafiti ni ∼3.4 Å, kwa makubaliano mazuri na yale ya tabaka za kawaida za grafiti kulingana na mwingiliano wa van der Waals. ( ) Picha ya TEM ya utazamaji wa juu sana ikiionyesha asili (mishale mirekundu) ambapo tabaka za grafiti za kibinafsi hukua. ( ) Mchoro wa kimfumo unaoonyesha mchakato wa kuteleza wa tabaka za mipako ya grafiti ambazo zinaweza kupunguza upanuzi wa ujazo wa Si. a b a c d Ukuaji wa grafiti usio na SiC ulithibitishwa na uchambuzi wa kiwango kikubwa na cha chembe moja. Profaili za spectroscopy ya elektroni ya X-ray katika bendi ya Si 2  ( ) na vile vile mienendo ya X-ray diffraction (XRD) ( ) hazionyeshi madoa yanayolingana na SiC kwa grafiti iliyopakwa Si (Gr–Si), AC iliyopakwa Si (AC–Si) na Si safi, tofauti na sampuli ya udhibiti (SiC–Si) iliyotengenezwa kupitia njia isiyo na CO2 kwa kutumia CH4 na H2. Kwa upande mwingine, upigaji picha wa TEM wa kuchanganua kwa kutumia nishati ya juu ya pete ya giza ilionyesha kuwa Si NP ina muundo wa msingi-ganda na msingi mkali na ganda lenye giza kiasi linalohusishwa na msingi wa Si na mipako ya oksidi ( ). Spektra za spectroscopy ya kupoteza nishati ya elektroni (EELS) ( ) zilizopatikana kwa maeneo mengi kwenye NP hazikuonyesha dalili zozote  zinazoakisi malezi ya SiC, zinazothibitisha ukuaji usio na SiC katika mchakato wa sasa wa ukuaji. Pia, dalili za SiO2 kwa 108 eV zilipatikana katika maeneo 1 na 2 kwa nguvu zaidi kuliko maeneo mengine katikati, zikionyesha kuwa uso wa SiO2 hutumika kama maeneo ya kichocheo kwa ukuaji wa grafiti. Uwepo unaoendelea wa tabaka za uso za SiO2 ulithibitishwa pia na XRD ( ) na uchambuzi wa EELS ( ). p Mchoro 2a Additional Fig. 2 Mchoro 2b Mchoro 2c 28 Additional Fig. 2 Mchoro 2b,c   ( ) Spektra za spectroscopy ya elektroni ya X-ray katika bendi ya Si 2  kwa Gr–Si, SiC–Si, AC–Si na Si safi. ( ) Picha ya TEM ya kuchanganua ya Gr–Si NP. ( ) Spektra 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 anodi katika LIBs. Lithiation ya Gr–Si NPs (1% ya grafiti) ilifuatiliwa kwa wakati halisi wakati wa upanuzi wao wa ujazo kwa kutumia uchambuzi wa TEM wa  , , , . Katika jaribio halisi, chembechembe za Gr–Si ziliwekwa kwenye elektrodi yenye dhahabu (Au) iliyowekwa. Elektrodi ya pili, lakini inayoweza kusonga, yenye Li/LiO2 kwenye ncha yake iliwekwa ili kugusana na Gr–Si NPs ili kuziweka lithiamu ( ). Mara tu mawasiliano na elektrodi ya pili yalipofanywa, chembechembe zilianza kuvimba ( ). Maelezo zaidi kuhusu mchakato huu yanaweza kuonekana katika   na  . Aina mbili za miundo inayoongezeka zilipatikana, yaani chembe zisizo na kasoro na chembe zenye kasoro kama zilivyoangaziwa katika  . Katika visa ambapo grafiti inafunika chembe kabisa na haina kasoro dhahiri ( ), kipenyo kiliongezeka kwa ∼30% (upanuzi wa ujazo wa 220%). Mwishoni mwa lithiation, umbali kati ya tabaka za tabaka za grafiti uliongezeka hadi 3.8 Å kuakisi uingizaji wa Li , na tabia ya safu ya mipako ya grafiti ilihifadhiwa pande zote za NP ( ), ikionyesha mchakato wa kuteleza kati ya tabaka kama ulivyoelezwa katika  . Katika visa ambapo eneo lenye kasoro lipo (ona mduara wa kijani katika  ), wakati wa uvimbe, chembe ya ndani inavunjika na kupenya kupitia kasoro hiyo ( ). Mienendo tofauti ya fractures iliyoonekana haiwezekani kutokana na saizi ya chembe, kwani chembe iliyofunikwa ambayo ni kubwa zaidi kuliko ile iliyovunjika katika   haikuvunjika (ona chembe zilizoonyeshwa saa 0 na 40 s katika  ). Pia, uchunguzi wa hivi karibuni  unaonyesha kuwa ikiwa haikufunikwa, hata chembe ndogo za Si (<50 nm) zinaweza kuvunjika kutokana na upungufu wa mkusanyiko wa Li ndani ya chembe ambao unaweza kusababisha mkazo mkubwa. Kwa kweli, ukubwa muhimu wa kuvunjika kwa chembe ya Si unategemea kesi, na unahusiana na jinsi mkazo unaojitokeza wakati wa upanuzi wa ujazo unavyoweza kutolewa kwa ufanisi. Ukubwa muhimu unaweza kufikia >200 nm (rejea.  ). in situ 29 30 31 32 Mchoro 3a Mchoro 3b Additional Fig. 5 Additional Movies 1–3 Mchoro 3b,c Mchoro 3d 33 Mchoro 3d Mchoro 3c Mchoro 3a Mchoro 3e Mchoro 3 Additional Fig. 5 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 kimfumo wa Gr–Si NPs zilizotiwa lithiamu kwa ajili ya vifuniko vyenye kasoro na visivyo na kasoro. ( , ) Picha za karibu za TEM kwa ( ) chembe isiyo na kasoro (iliyozungukwa na mstari mwekundu katika   na  ) na ( ) chembe yenye kasoro (iliyozungukwa na mstari wa bluu katika   na  ). Spektra za EELS katika visa vyote viwili zinathibitisha lithiation. Profaili za mstari kutoka kwa visanduku vyekundu katika visa vyote viwili zinaonyesha umbali ulioongezeka kati ya tabaka wa takriban 3.8 Å, unaoonyesha lithiation ndani ya nafasi ya kati 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 kingo ya Li   iliyofifia karibu na 55 eV na pia kingo ya Si   kwa 100 eV ( ; rejea.  ). Safu iliyoonyeshwa kwenye uso wa grafiti katika   inahusishwa na mabaki ya Li/Li2O. Kwa msingi, tabaka za grafiti huhifadhi ushirikiano na Si kupitia mizizi yao iliyofungwa kwa kemikali kwenye uso wa Si, na wakati huo huo, mchakato wa kuteleza huruhusu mipako ya grafiti yenye safu chache kukidhi upanuzi wa ujazo wa Si. Katika jaribio tofauti la TEM la   na elektrodi ya Gr–Si LIB, ilibainika kuwa idadi ya wastani ya tabaka za grafiti zilizopimwa katika maeneo tofauti ilipungua kutoka 9.4 hadi 5.6 tabaka ( ) baada ya lithiation ya kwanza, ikithibitisha tena mchakato wa kuteleza kwa tabaka. K L Mchoro 3d,e 36 Mchoro 3d ex situ Additional Fig. 6 Mipako ya grafiti na mchakato wa kuteleza kwa tabaka hutoa nguvu ya kufunga ambayo husaidia kudumisha uadilifu wa chembe ya Si wakati wa upanuzi wa ujazo. Hata hivyo, utaratibu huu wa kufunga hauonekani kuathiri usafirishaji wa Li, kwani uwezo maalum mzuri hupatikana katika vipimo vya kielektroniki. Pia ni muhimu kutambua kwamba upanuzi wa ujazo wa chembe ulikuwa, kwa ujumla, sare katika pande zote za miale hata ingawa uhakika wa mawasiliano na elektrodi ya pili umejikita sana. Hii inaangazia tabia ya tabaka za grafiti kwa usafirishaji sare wa ioni za Li kwenye msingi wa Si (tazama mistari ya nukta nyekundu na rangi ya machungwa katika  ). Uchambuzi wa   pia unaonyesha kuwa usafirishaji wa Li kupitia tabaka za grafiti ni wa haraka sana, sambamba na masomo ya awali , . Pia, inabainika kuwa athari ya kufunga iliyoonekana inatokana hasa na tabaka za mipako ya grafiti badala ya 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 mashimo ,  au tabaka za oksidi ni nene sana . Mchoro 3a,b in situ 30 37 7 11 38 Uendeshaji na vipimo vya kielektroniki Baada ya ukuaji wa grafiti, uendeshaji wa mkusanyiko wa nyenzo unaofanya kazi huimarishwa sana. Wakati umefinyangwa kwa unga, Si safi ilionyesha uendeshaji wa chini wa <10−7 S cm−1, wakati hata nyongeza ya 1% ya grafiti iliongeza uendeshaji kwa kiasi kikubwa hadi 12.8 S cm−1 ( ). Uimarishaji huu unahusishwa na tabia bora ya perkolation ya tabaka za mipako ya grafiti kwa njia ambayo grafiti ya 2D na mpangilio wake wa tabaka zilizowekwa vizuri hukuza mtandao wa kondakta ulio na muunganisho mzuri ( ), na pia unalingana na michanganyiko ya grafiti-polima ya awali . Uendeshaji uliongezeka zaidi hadi 38.3 S cm−1 kwa maudhui ya grafiti ya 5% Mchoro 4a Additional Fig. 7 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 Kudumu Zaidi na Kuhifadhi Nguvu Zaidi

About Author

MAONI

HANG TAGS

MAKALA HII ILIWASILISHWA NDANI

Related Stories

Details of the Aerial Voyage.—Kennedy silenced

Sweet Security Unveils First Unified Detection And Response Platform

Speed up Swift compile time

Jinsi $ TRUTH token ya Swarm Network inapanga kukabiliana na taarifa mbaya kupitia uhakiki wa Blockchain

Details of the Aerial Voyage.—Kennedy silenced

Sweet Security Unveils First Unified Detection And Response Platform

Speed up Swift compile time

Jinsi $ TRUTH token ya Swarm Network inapanga kukabiliana na taarifa mbaya kupitia uhakiki wa Blockchain

Light-Mode

Classic

Newspaper

Minty

Dark-Mode

Neon Noir

Minty

HN StartUps