
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 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 unaotambulika kama nyenzo inayotumika kwa betri za ngazi inayofuata za ioni za lithiamu kwa sababu ya uwezo wake wa kipekee wa uzito. Hata hivyo, mabadiliko makubwa ya kiwango cha silikoni juu ya mizunguko ya kuchaji–kutokwa hupunguza ushindani wake katika msongamano wa nishati ya kiasi na maisha ya mzunguko. Hapa tunaripoti ukuaji wa moja kwa moja wa grafiti juu ya chembechembe ndogo za silikoni bila malezi ya kaboni ya silikoni. Safu za grafiti zilizowekwa kwenye uso wa silikoni huchukua upanuzi wa kiwango cha silikoni kupitia mchakato wa kuteleza kati ya safu za grafiti zinazopakana. Inapounganishwa na katodi ya kibiashara ya lithiamu kobalti oksidi, mipako ya grafiti isiyo na kaboni ya silikoni huruhusu seli kamili kufikia msongamano wa nishati wa kiasi wa 972 na 700 Wh l−1 kwenye mzunguko wa kwanza na wa 200, mtawalia, mara 1.8 na mara 1.5 zaidi ya betri za kibiashara za lithiamu-ioni za sasa. Uchunguzi huu unapendekeza kuwa muundo wa safu mbili-mbili za grafiti na uunganishaji wake usio na kaboni ya silikoni na silikoni unaweza kutumika kama mfano katika kuendeleza anode za silikoni kuwa teknolojia inayofaa kibiashara. Utangulizi Uwezo wa kipekee wa uzito wa silikoni (Si) hufikia karibu 4,000 mAh g−1. Thamani hii isiyo na kifani imeanzisha jumuiya ya betri kuwekeza juhudi kubwa za utafiti kwa sababu uwezo mkubwa wa uzito huwezesha kuongeza kwa kiasi kikubwa msongamano wa nishati wa betri za ioni za lithiamu (LIBs), na hivyo kuleta maombi ya baadaye ya LIBs, kama vile magari ya umeme, kuwa ukweli , , , , . Katika muongo mmoja uliopita, miundo mbalimbali ya juu ya elektrodi , , , , , , , , , ,  na miundo ya viungio , ,  iliondolewa ili kutatua masuala sugu ya kupungua kwa uwezo yanayotokana na mabadiliko makubwa ya kiwango cha Si, na kusababisha utendaji bora wa mzunguko hata baada ya maelfu ya mizunguko . Licha ya thamani ya uzito ya kuahidi na maendeleo makubwa katika maisha ya mzunguko, sehemu nyingi za anode za Si zilizothibitishwa hadi sasa zimejikita zaidi kwenye uwezo wa uzito lakini hazijaahidi sawa katika uwezo wao wa kiasi kwa sababu miundo iliyopo ya elektrodi hutegemea nafasi tupu iliyofafanuliwa awali kuchukua upanuzi wa kiwango cha Si. Katika maombi mengi ya LIB ikiwa ni pamoja na vifaa vya elektroniki vinavyobebeka, hata hivyo, msongamano wa nishati ya kiasi ni kigezo muhimu katika kuamua utendaji wa betri. Pamoja na maisha duni ya mzunguko, msongamano duni wa nishati ya kiasi kwa sasa ni kikwazo kikuu katika kutekeleza anode za Si katika seli za kibiashara. Ili kukidhi mahitaji haya muhimu, teknolojia ya anode ya Si inahitaji kutazamwa upya na miundo tofauti ya elektrodi ambayo hutoa utendaji thabiti wa mzunguko huku kiwango cha elektrodi kikipunguzwa. 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 miundo yao mchanganyiko na nyenzo nyingine za kuendesha umeme 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 kibiashara za silikoni (NPs) na mipako rahisi na yenye ufanisi ya uso wa kuendesha umeme itakuwa ya kuridhisha sana. Nyenzo mbalimbali za kuendesha umeme ikiwa ni pamoja na kaboni isiyo na umbo (AC) zimechunguzwa kama nyenzo za mipako kwa anode za Si NP , , . Hata hivyo, wengi wao hawatoi utendaji thabiti wa mzunguko wa muda mrefu kwa sababu nyenzo za mipako zilizotekelezwa haziwezi kuchukua upanuzi wa kiwango cha Si na kwa hivyo kuvunjika juu ya mizunguko inayorudiwa. 8 20 21 Katika jaribio la kushughulikia kikomo cha mipako ya hapo awali ya kuendesha umeme na pia kufikia utendaji mzuri wa mzunguko na msongamano wa juu zaidi wa nishati ya kiasi, katika utafiti huu, tunatumia grafiti yenye safu nyingi iliyokuzwa moja kwa moja kwenye uso wa Si kama nyenzo ya mipako. Tabia ya safu mbili-mbili (2D) ya grafiti hutoa operesheni ya kipekee na yenye ufanisi ya anode za Si kwani grafiti yenye safu nyingi inaweza kuchukua upanuzi wa kiwango cha Si kupitia mchakato wa kuteleza kati ya safu zinazopakana bila hitaji la kutoa nafasi tupu   katika elektrodi iliyotengenezwa. Pia, kidonge cha Si NP kilichopakwa grafiti huonyesha 12.8 S cm−1 kwenye maudhui ya chini ya grafiti ya 1% kwa uzito kupitia mtandao wa juu wa uunganishaji. Kwa kufanya hivyo, tunashinda changamoto ya kukua grafiti moja kwa moja kwenye nyuso za Si bila malezi ya kaboni ya silikoni (SiC) kwa kuendeleza mchakato wa upandikizaji wa mvuke ya kemikali (CVD) unaohusisha vioksidishaji laini. Uundaji wa SiC ni mbaya katika operesheni za anode za Si kwa sababu SiC ni kizuizi cha umeme chenye sifa duni za kasoro. Zaidi ya hayo, SiC haifanyi kazi katika kuguswa na ioni za Li na kwa hivyo huzuia upenyezaji wa ioni za Li kwenye awamu ya Si. Kwa usaidizi wa mchakato wa kuteleza wa safu ya grafiti na uendeshaji ulioimarishwa, Si NP zilizopakwa grafiti hufikia uwezo wa kiasi 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 anode zozote za LIB huku zikionyesha utendaji bora wa mzunguko na kiwango. kabla Matokeo Ukuaji wa grafiti usio na kaboni ya silikoni kwenye Si Ukuaji wa moja kwa moja wa grafiti yenye ubora wa juu kwenye Si kupitia mchakato wa CVD umethibitika kuwa mgumu  kwa sababu hali za kawaida za utengenezaji wa grafiti zinahitaji hali ya kupunguza ambayo huwa na kuondoa safu ya asili ya oksidi ya Si kutoka kwa uso wa Si, na kisha kusababisha mmenyuko kati ya Si na vizalishi vya kaboni vilivyooza kuunda SiC . Njia yetu ya awali ya kutumia methane (CH4) kama kiizalishi cha kaboni kilichochanganywa na H2 haikuweza kufikia ukuaji wa grafiti kwenye Si NPs ( ), hivyo kuzalisha tu β-SiC ( ). Ili kushughulikia kikomo hiki, tulijumuisha dioksidi ya kaboni (CO2), kioksidishaji laini, katika mchakato wa CVD pamoja na CH4 (rejea  , ). Ujumuishaji wa CO2 huwezesha kuepuka malezi ya SiC na pia kupunguza joto la ukuaji ikilinganishwa na ukuaji unaojulikana wa grafiti kwenye uso . Katika jaribio letu, kwenye 900 °C, ukuaji wa grafiti haukuwa kamili au haukuwa sare ( ), wakati ukuaji wa grafiti kwenye 1,100 °C ulizalisha tabaka za oksidi kwenye uso wa Si ambazo ni nene sana kwa upenyezaji bora wa ioni za Li ( ). Katika joto la kati la 1,000 °C, safu 2–10 za grafiti ziliundwa kama inavyoonekana katika picha za darubini ya elektroni ya kupitisha (TEM) ( ) zikionyesha kwa wazi muundo wa safu na umbali wa kati karibu na 3.4 Å ( , ndani). Uchunguzi wa karibu zaidi unaonyesha kuwa safu za kibinafsi zimefungwa moja kwa moja kwenye uso wa chembechembe ya Si kwenye ncha zake (mishale mekundu katika  ) na ziko sambamba na uso wa Si. Safu hizi za grafiti zilizopangwa vizuri zinaweza kudumisha muundo wao wa kupanga safu hata wakati wa lithiation kupitia mchakato wa kuteleza ( ), hivyo kutoa njia ya kifahari ya kuchukua upanuzi wa kiwango cha Si. Ukuaji wa grafiti umejaribiwa kwenye nyuso za oksidi ya silikoni (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 haufanyi kazi unatokana na maeneo ya kutosha ya kichocheo kwenye uso wa SiO2. Kinyume chake, katika mchakato wetu, nyongeza ya CO2 hutengeneza maeneo zaidi ya kichocheo kwa njia ya SiO  na kasoro fulani. 22 23 Kielelezo cha ziada. 1 Kielelezo cha ziada. 2 24 25 23 Kielelezo cha ziada. 3 Kielelezo cha ziada. 4 Mchoro 1a,b Mchoro 1b Mchoro 1c Mchoro 1d 26 27 x   ( ) Picha ya TEM ya jumla ya chini ya Gr–Si NP. ( ) Picha ya TEM ya jumla ya juu kwa Gr–Si NP sawa kutoka kwenye kisanduku cheupe katika  . (Ndani) Profaili za mstari kutoka kwenye visanduku viwili vyekundu zinaonyesha kuwa nafasi ya kati kati ya safu za grafiti ni ∼3.4 Å, kwa kukubaliana vizuri na zile za safu za kawaida za grafiti kulingana na mwingiliano wa van der Waals. ( ) Picha ya jumla ya juu sana inayoonyesha asili (mishale mekundu) ambapo safu za grafiti za kibinafsi hukua. ( ) Mchoro wa skematiki unaoonyesha mchakato wa kuteleza wa safu za mipako ya grafiti ambazo zinaweza kuweka upya upanuzi wa kiwango cha Si. a b a c d Ukuaji wa grafiti usio na kaboni ya silikoni ulithibitishwa na uchambuzi wa kiwango kikubwa na cha chembe moja. Profaili za X-ray photoelectron spectroscopy katika bendi ya Si 2  ( ) na pia X-ray diffraction (XRD) spectra ( ) hazionyeshi mabonde yanayolingana na SiC kwa grafiti iliyopakwa Si (Gr–Si), AC iliyopakwa Si (AC–Si) na Si safi, tofauti na sampuli ya kudhibiti (SiC–Si) iliyotengenezwa kupitia njia isiyo na CO2 kwa kutumia CH4 na H2. Kwa upande mwingine, upigaji picha wa TEM wa kuchanganua kwa kutumia uwanja wa giza wenye pete wa pembe ya juu ulionyesha kuwa Si NP ina muundo wa kiini-ganda na kiini kinachong'aa na ganda la giza kiasi linalohusishwa na kiini cha Si na mipako ya oksidi ( ). Spectra za EELS ( ) zilizopatikana kwa maeneo mengi kwenye NP hazikuonyesha ishara zozote  zinazoonyesha malezi ya SiC, zinathibitisha ukuaji usio na kaboni ya silikoni katika mchakato wa ukuaji wa sasa. Pia, ishara za SiO2 kwenye 108 eV zilipatikana kwenye maeneo ya 1 na 2 kwa nguvu zaidi kuliko maeneo mengine katikati, zikionyesha kuwa uso wa SiO2 unatumika 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 Mchoro 2a Kielelezo cha ziada. 2 Mchoro 2b Mchoro 2c 28 Kielelezo cha ziada. 2 Mchoro 2b,c   ( ) X-ray photoelectron spectroscopy spectra katika bendi ya Si 2  kwa Gr–Si, SiC–Si, AC–Si na Si safi. ( ) Picha ya TEM ya kuchanganua ya Gr–Si NP. ( ) EELS spectra kwa maeneo yaliyoonyeshwa katika  . a p b c b Uchambuzi wa TEM wa moja kwa moja Sasa tunageukia matumizi ya Gr–Si kama nyenzo ya anode katika LIBs. Lithiation ya Gr–Si NPs (1% ya grafiti kwa uzito) ilifuatiliwa kwa wakati halisi wakati wa upanuzi wao wa kiasi kwa kutumia uchambuzi wa TEM wa moja kwa moja , , , . 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 kugusa tu Gr–Si NPs ili kuzilithiate ( ). 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 zilionekana, yaani chembechembe zisizo na kasoro na chembechembe zenye kasoro kama zilivyoangaziwa katika  . Katika hali ambapo grafiti huweka kikamilifu chembechembe na haina kasoro dhahiri ( ), kipenyo kiliongezeka kwa ∼30% (upanuzi wa kiasi wa 220%). Mwishoni mwa lithiation, umbali wa kati wa safu za grafiti uliongezeka hadi 3.8 Å kuakisi uingiliaji wa Li , na tabia ya safu ya mipako ya grafiti ilihifadhiwa pande zote za NP ( ), ikipendekeza mchakato wa kuteleza kati ya safu kama ulivyoonyeshwa katika  . Katika hali ambapo kuna eneo lenye kasoro (tazama mduara wa kijani katika  ), wakati wa kuvimba, chembechembe ya ndani hupasuka na kupasuka kupitia kasoro ( ). Aina za kuvunjika zinazoonekana hazitokani na saizi ya chembe, kwani chembe iliyofunikwa iliyo kubwa zaidi kuliko ile iliyovunjika katika   haikuvunjika (tazama chembechembe zilizotajwa saa 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 ambao unaweza kusababisha mkazo mkubwa. Kwa kweli, ukubwa muhimu wa kuvunjika kwa chembechembe za Si unategemea kesi, na unahusiana na jinsi mkazo unaojilimbikiza wakati wa upanuzi wa kiwango unavyoweza kutolewa. Ukubwa muhimu unaweza kuongezeka hadi >200 nm (rejea  ). 29 30 31 32 Mchoro 3a Mchoro 3b Kielelezo cha ziada. 5 Movies za ziada 1–3 Mchoro 3b,c Mchoro 3d 33 Mchoro 3d Mchoro 3c Mchoro 3a Mchoro 3e Mchoro 3 Kielelezo cha ziada. 5 34 35   ( ) Gr–Si NPs zilizounganishwa kwenye uso wa waya wa Au na elektrodi ya pili ya Li/LiO2. ( ) Gr–Si NPs sawa baada ya lithiation. ( ) Muhtasari wa skematiki wa Gr–Si NPs zilizolitiwa kwa ufunikaji wa grafiti usio na kasoro na wenye kasoro. ( , ) Picha za TEM za karibu kwa ( ) chembe isiyo na kasoro (ile iliyozungukwa na mstari mwekundu katika   na  ) na ( ) chembe yenye kasoro (ile iliyozungukwa na mstari wa bluu katika   na  ). EELS spectra katika kesi zote mbili zinathibitisha lithiation. Profaili za mstari kutoka kwenye visanduku vyekundu katika kesi zote mbili zinaonyesha umbali ulioongezeka wa kati wa karibu. 3.8 Å, kuakisi lithiation ndani ya nafasi ya kati ya grafiti. a b c d e d a b e a b Uchambuzi wa ndani wa EELS wakati wa lithiation unathibitisha lithiation ya Si kwa kesi zote mbili kupitia makali ya Li   iliyofifia karibu na 55 eV na pia makali ya Si   kwenye 100 eV ( ; rejea  ). Safu iliyoonyeshwa kwenye uso wa grafiti katika   ni mabaki ya Li/Li2O. Kwa kiini, safu za grafiti huhifadhi ujumuishaji 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 kuchukua upanuzi wa kiwango cha Si. Katika jaribio tofauti la TEM la nje na elektrodi ya Gr–Si LIB, ilibainika kuwa idadi ya wastani ya safu za grafiti zilizopimwa katika maeneo tofauti ilipungua kutoka safu 9.4 hadi 5.6 ( ) baada ya lithiation ya kwanza, ikithibitisha tena mchakato wa kuteleza kwa safu. K L Mchoro 3d,e 36 Mchoro 3d Kielelezo cha ziada. 6 Ufunikaji wa grafiti na mchakato wa kuteleza kwa safu hutoa nguvu ya kufunga ambayo husaidia kudumisha uadilifu wa chembechembe za Si wakati wa upanuzi wa kiwango. Hata hivyo, utaratibu huu wa kufunga hauonekani kuathiri upenyezaji wa Li, kwani uwezo maalum mzuri hupatikana katika vipimo vya kielektroniki. Pia inafaa kuzingatiwa kuwa upanuzi wa kiwango cha chembechembe ulikuwa, kwa ujumla, sare katika pande zote za mshazari hata ingawa sehemu ya mawasiliano na elektrodi ya pili imewekwa mahali pake. Hii inaonyesha tabia ya safu za grafiti ya upenyezaji sare wa ioni za Li ndani ya kiini cha Si (tazama mistari ya nukta nyekundu na ya machungwa katika  ). Uchambuzi wa moja kwa moja pia unaonyesha kuwa upenyezaji wa Li kupitia safu za grafiti ni wa haraka sana, kwa mujibu wa tafiti za hapo awali , . Pia, inabainika kuwa athari ya kufunga inayoonekana inatokana zaidi na safu za mipako ya grafiti kuliko tabaka 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 30 37 7 11 38 Uendeshaji na vipimo vya kielektroniki Baada ya ukuaji wa grafiti, uendeshaji wa mkusanyiko wa nyenzo zinazofanya kazi huimarishwa sana. Wakati uliowekwa kwa umbo katika unga, Si safi ilionyesha uendeshaji wa chini wa <10−7 S cm−1, wakati hata nyongeza ya 1% ya grafiti kwa uzito iliongeza kwa kiasi kikubwa uendeshaji hadi 12.8 S cm−1 ( ). Uimarishaji huu unatokana na tabia bora ya uunganishaji wa safu za mipako ya grafiti kwa njia ambayo grafiti ya 2D na mpangilio wake wa safu uliopangwa vizuri husababisha mtandao wa kuendesha umeme uliounganishwa vizuri ( ), na pia unalingana na miundo mchanganyiko ya grafiti-polima ya hapo awali Mchoro 4a Kielelezo cha ziada. 7

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 Kuwe na 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

A PENDENT WORLD

Speed up Swift compile time

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

Master Crypto Security: Your Complete Guide to Safe Wallet Management

A PENDENT WORLD

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