
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Mga May-akda: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 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 Abstrak Ang silicon ay nakakakuha ng kapansin-pansing atensyon bilang isang aktibong materyal para sa mga susunod na henerasyong lithium-ion battery anodes dahil sa walang kapantay nitong gravimetric capacity. Gayunpaman, ang malaking pagbabago sa volume ng silicon sa mga charge–discharge cycle ay nagpapahina sa pagiging kompetitibo nito sa volumetric energy density at cycle life. Dito, iniuulat namin ang direktang paglaki ng graphene sa mga silicon nanoparticle nang walang pagbuo ng silicon carbide. Ang mga graphene layer na naka-angkla sa ibabaw ng silicon ay tumatanggap ng paglaki ng volume ng silicon sa pamamagitan ng proseso ng pag-slide sa pagitan ng magkakatabing graphene layer. Kapag ipinares sa isang komersyal na lithium cobalt oxide cathode, ang graphene coating na walang silicon carbide ay nagpapahintulot sa buong cell na maabot ang volumetric energy densities na 972 at 700 Wh l−1 sa una at ika-200 na cycle, ayon sa pagkakabanggit, 1.8 at 1.5 beses na mas mataas kaysa sa kasalukuyang mga komersyal na lithium-ion battery. Ang obserbasyong ito ay nagmumungkahi na ang two-dimensional layered structure ng graphene at ang walang silicon carbide na integrasyon nito sa silicon ay maaaring magsilbing prototype sa pagpapaunlad ng silicon anodes tungo sa komersyal na teknolohiyang magagamit. Panimula Ang teoretikal na gravimetric capacity ng silicon (Si) ay umaabot sa halos 4,000 mAh g−1. Ang walang kapantay na halagang ito ay nagpasigla sa komunidad ng baterya na maglaan ng malaking pagsisikap sa pananaliksik dahil ang mataas na gravimetric capacity ay nagbibigay-daan upang makabuluhang madagdagan ang mga energy density ng lithium-ion battery (LIB), at sa gayon ay maisakatuparan ang mga hinaharap na aplikasyon ng LIB, tulad ng mga de-kuryenteng sasakyan , , , , . Sa nakalipas na dekada, iba't ibang advanced electrode structures , , , , , , , , , ,  at binder designs , ,  ay nabuo upang malutas ang mga pangmatagalang isyu sa pagkawala ng kapasidad na nagmumula sa malaking pagbabago sa volume ng Si, na humahantong sa makabuluhang pinahusay na performance ng siklo kahit sa libu-libong mga siklo . Sa kabila ng magandang gravimetric na halaga at makabuluhang pag-unlad sa cycle life, karamihan sa mga Si anode na ipinakita hanggang ngayon ay pangunahing nakatuon sa gravimetric capacity ngunit hindi nag-alok ng katulad na pangako sa kanilang volumetric capacity dahil ang mga kasalukuyang disenyo ng electrode ay umaasa sa paunang natukoy na espasyo para ma-accommodate ang volume expansion ng Si. Gayunpaman, sa maraming aplikasyon ng LIB kabilang ang mga portable electronics, ang volumetric energy density ay isang kritikal na parameter sa pagtukoy ng performance ng baterya. Kasama ng medyo mababang cycle life, ang mahinang volumetric energy density ay kasalukuyang isang pangunahing bottleneck sa pagpapatupad ng Si anodes sa mga komersyal na cell. Upang matugunan ang kritikal na demand na ito, kailangang muling isaalang-alang ang teknolohiya ng Si anode na may iba't ibang disenyo ng electrode na nag-aalok ng matatag na performance ng siklo habang ang volume ng electrode ay minimize. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 11 Bagaman mayroong iba't ibang mga morpolohiya ng Si at ang kanilang mga composite sa iba pang conductive na materyales na kasalukuyang magagamit, para sa agarang solusyon sa aktwal na pagmamanupaktura na nangangailangan ng mataas na pamantayan sa quality control, ang madali at scalable na synthesis ng aktibong Si components ay mahalaga. Mula sa praktikal na pananaw ng aplikasyon, sa gitna ng napakaraming mabubuhay na kandidato, ang paggamit ng komersyal na Si nanoparticles (NPs) na may simple at mahusay na conductive surface coating ay lubos na kanais-nais. Iba't ibang conductive na materyales kabilang ang amorphous carbon (AC) ay sinuri bilang mga coating material para sa Si NP anodes , , . Gayunpaman, karamihan sa mga ito ay nabigo na magbigay ng matatag na pangmatagalang performance ng siklo dahil ang mga ipinatupad na coating material ay hindi makapag-accommodate ng volume expansion ng Si at dahil dito ay nababali sa paulit-ulit na mga siklo. 8 20 21 Sa pagtatangkang tugunan ang limitasyon ng mga nakaraang conductive coating pati na rin upang makamit ang magandang performance ng siklo na may makabuluhang mas mataas na volumetric energy density, sa pag-aaral na ito, ginagamit namin ang multilayer graphene na direktang lumaki sa ibabaw ng Si bilang isang coating material. Ang two-dimensional (2D) na katangian ng layering ng graphene ay nagbibigay ng kakaiba at mahusay na operasyon ng Si anodes dahil ang multilayered graphene ay makapag-a-accommodate ng Si volume expansion sa pamamagitan ng sliding process sa pagitan ng magkakatabing layer nang hindi nangangailangan ng espasyo sa pagawaan  sa ginawang electrode. Gayundin, ang graphene-coated Si NP pellet ay nagpapakita ng 12.8 S cm−1 sa isang marginal na graphene content na 1 wt% sa pamamagitan ng isang mataas na percolation network. Para dito, nalampasan namin ang isang hamon ng direktang paglaki ng graphene sa mga ibabaw ng Si nang walang pagbuo ng Si carbide (SiC) sa pamamagitan ng pagbuo ng isang chemical vapour deposition (CVD) process na nagsasangkot ng banayad na oxidant. Ang pagbuo ng SiC ay nakamamatay sa mga operasyon ng Si anode dahil ang SiC ay isang electrical insulator na may mahinang katangian ng depekto. Bukod dito, ang SiC ay hindi aktibo sa reaksyon sa Li ions at dahil dito ay hinahadlangan ang pagpasok ng Li ion sa Si phase. Sa tulong ng graphene interlayer sliding process at pinahusay na conductivity, ang graphene-coated Si NPs ay umabot sa volumetric capacity na 2,500 mAh cm−3 (kumpara sa 550 mAh cm−3 ng komersyal na graphite), ang pinakamataas na halaga sa lahat ng naiulat hanggang sa ngayon para sa anumang LIB anodes habang nagpapakita ng mahusay na siklo at rate performance. a priori Resulta SiC-free graphene growth sa Si Ang direktang paglaki ng de-kalidad na graphene sa Si sa pamamagitan ng CVD process ay napatunayang mahirap  dahil ang mga tipikal na kondisyon ng synthesis ng graphene ay nangangailangan ng reducing atmosphere na may tendensyang tanggalin ang native Si oxide layer mula sa ibabaw ng Si, at pagkatapos ay nagtutulak ng reaksyon sa pagitan ng Si at mga decomposed carbon precursors upang makabuo ng SiC . Ang aming paunang diskarte sa paggamit ng methane (CH4) bilang carbon precursor na may H2 ay hindi talaga nakamit ang paglaki ng graphene sa Si NPs ( ), kaya't nagresulta lamang sa β-SiC ( ). Upang malampasan ang limitasyong ito, nagdagdag kami ng carbon dioxide (CO2), isang banayad na oxidant, sa CVD process kasama ang CH4 (mga sanggunian  , ). Ang pagdaragdag ng CO2 ay nagpapahintulot na maiwasan ang pagbuo ng SiC at mapababa rin ang growth temperature kumpara sa kilalang paglaki ng graphene sa ibabaw . Sa aming eksperimento, sa 900 °C, ang paglaki ng graphene ay hindi kumpleto o hindi pantay ( ), samantalang ang paglaki ng graphene sa 1,100 °C ay nakabuo ng mga oxide layer sa ibabaw ng Si na masyadong makapal para sa epektibong pagpasok ng Li ion ( ). Sa isang intermediate na temperatura na 1,000 °C, 2–10 layer ng graphene ang nabuo tulad ng ipinapakita sa mga transmission electron microscope (TEM) na larawan ( ) na malinaw na nagpapakita ng layered structure pati na rin ang interlayer distance na malapit sa 3.4 Å ( , inset). Ang mas malapit na pagsusuri ay nagpapahiwatig na ang indibidwal na mga layer ay direktang naka-angkla sa ibabaw ng Si particle sa kanilang mga dulo (mga pulang arrow sa  ) at nakalatag nang parallel sa ibabaw ng Si. Ang mga mahusay na naka-align na graphene layer na ito ay maaaring mapanatili ang kanilang layered stacking structure kahit sa panahon ng lithiation sa pamamagitan ng sliding process ( ), kaya nagbibigay ng isang eleganteng paraan upang ma-accommodate ang volume expansion ng Si. Ang paglaki ng graphene ay sinubukan sa mga ibabaw ng Si dioxide (SiO2) gamit ang CH4 at H2 (mga sanggunian  , ). Gayunpaman, ang paglaki ng graphene sa mga prosesong iyon ay napakahusay o hindi nakakaiwas sa pagbuo ng SiC. Ang hindi mahusay na paglaki ay maiuugnay sa kakulangan ng mga catalytic site sa SiO2 ibabaw. Sa kaibahan, sa aming proseso, ang pagdaragdag ng CO2 ay lumilikha ng mas maraming catalytic site sa anyo ng SiO  na may ilang mga depekto. 22 23 Supplementary Fig. 1 Supplementary Fig. 2 24 25 23 Supplementary Fig. 3 Supplementary Fig. 4 Fig. 1a,b Fig. 1b Fig. 1c Fig. 1d 26 27 x   ( ) Isang low-magnification TEM image ng Gr–Si NP. ( ) Isang higher-magnification TEM image para sa parehong Gr–Si NP mula sa puting kahon sa  . (Insets) Ang mga line profile mula sa dalawang pulang kahon ay nagpapahiwatig na ang interlayer spacing sa pagitan ng graphene layer ay ∼3.4 Å, na naaayon sa tipikal na graphene layer batay sa van der Waals interaction. ( ) Isang high-magnification TEM image na naglalarawan ng mga pinagmulan (mga pulang arrow) kung saan lumalaki ang mga indibidwal na graphene layer. ( ) Isang schematic illustration na nagpapakita ng sliding process ng mga graphene coating layer na maaaring mag-buffer ng volume expansion ng Si. a b a c d Ang SiC-free graphene growth ay napatunayan ng parehong bulk scale at single-particle scale analyses. Ang X-ray photoelectron spectroscopy profiles sa Si 2  band ( ) pati na rin ang X-ray diffraction (XRD) spectra ( ) ay walang mga peak na tumutugma sa SiC para sa graphene-coated Si (Gr–Si), AC-coated Si (AC–Si) at pristine Si, kumpara sa isang kontrol (SiC–Si) sample na sinintesis sa pamamagitan ng CO2-free route gamit ang CH4 at H2. Sa kabilang banda, ang isang scanning TEM imaging gamit ang high-angle annular dark field ay nagpakita na ang Si NP ay may core–shell structure na may mas maliwanag na core at manipis na medyo mas madilim na shell na maiuugnay sa isang Si core at isang oxide coating ( ). Ang Electron energy loss spectroscopy (EELS) spectra ( ) na nakuha para sa maraming spot sa NP ay walang ipinakitang signal  na nagpapakita ng pagbuo ng SiC, na nagkukumpirma ng SiC-free growth sa kasalukuyang growth process. Gayundin, ang SiO2 na mga signal sa 108 eV ay natuklasan sa mga punto 1 at 2 na mas malakas kaysa sa iba pang mga spot sa gitna, na nagpapahiwatig na ang SiO2 ibabaw ay nagsisilbing catalytic site para sa paglaki ng graphene. Ang patuloy na presensya ng SiO2 surface layer ay napatunayan din ng XRD ( ) at EELS ( ) characterization. p Fig. 2a Supplementary Fig. 2 Fig. 2b Fig. 2c 28 Supplementary Fig. 2 Fig. 2b,c   ( ) X-ray photoelectron spectroscopy spectra sa Si 2  band para sa Gr–Si, SiC–Si, AC–Si at pristine Si. ( ) Isang scanning TEM image ng isang Gr–Si NP. ( ) EELS spectra para sa mga spot na tinukoy sa  . a p b c b Pagsusuri ng In situ TEM Tingnan natin ngayon ang paggamit ng Gr–Si bilang anode material sa mga LIB. Ang lithiation ng Gr–Si NPs (1 wt% graphene) ay binantayan sa real time sa panahon ng kanilang volume expansion gamit ang   TEM analysis , , , . Sa aktwal na eksperimento, ilang Gr–Si particles ang inilagay sa isang gold (Au)-fixed electrode. Ang pangalawa, ngunit movable, na electrode na may Li/LiO2 sa dulo nito ay inilagay upang dumikit lamang sa Gr–Si NPs upang ma-lithiate ang mga ito ( ). Kapag nagkaroon ng kontak sa pangalawang electrode, nagsimulang lumaki ang mga particle ( ). Mas maraming detalye tungkol sa prosesong ito ay makikita sa   at  . Dalawang uri ng lumalaking istraktura ang naobserbahan, ang mga non-defective particle at ang mga defective particle tulad ng naka-highlight sa  . Sa mga kaso kung saan ang graphene ay ganap na bumabalot sa particle at walang malinaw na depekto ( ), ang diameter ay tumaas ng ∼30% (220% volume expansion). Sa pagtatapos ng lithiation, ang interlayer distance ng graphene layer ay tumaas sa 3.8 Å na nagpapakita ng Li intercalation , at ang layered na katangian ng graphitic coating ay napanatili sa paligid ng NP ( ), na nagpapahiwatig ng sliding process sa pagitan ng mga layer tulad ng ipinakita sa  . Sa mga kaso kung saan mayroong defective region (tingnan ang berdeng bilog sa  ), sa paglaki, ang panloob na particle ay nadudurog at napupunit sa depekto ( ). Ang naobserbahang magkakaibang fracture behaviors ay malamang na hindi dahil sa laki ng particle, dahil ang isang nakabalot na particle na mas malaki kaysa sa nabasag na particle sa   ay hindi nabasag (tingnan ang mga tinukoy na particle sa 0 at 40 s sa  ). Gayundin, ang kamakailang obserbasyon  ay nagpapahiwatig na kung hindi nakabalot, kahit ang mas maliliit na Si particle (<50 nm) ay maaaring mabali dahil sa Li concentration gradient sa loob ng mga particle na maaaring lumikha ng malaking stress. Sa katunayan, ang critical na laki ng Si particle fracture ay case dependent, at nauugnay sa kung gaano kahusay mailalabas ang stress na nabuo sa panahon ng volume expansion. Ang critical na laki ay maaaring umabot sa >200 nm (ref.  ). in situ 29 30 31 32 Fig. 3a Fig. 3b Supplementary Fig. 5 Supplementary Movies 1–3 Fig. 3b,c Fig. 3d 33 Fig. 3d Fig. 3c Fig. 3a Fig. 3e Fig. 3 Supplementary Fig. 5 34 35   ( ) Gr–Si NPs na nakakabit sa ibabaw ng Au wire at isang pangalawang Li/LiO2 electrode. ( ) Parehong Gr–Si NPs pagkatapos ng lithiation. ( ) Isang schematic summary ng lithiated Gr–Si NPs para sa parehong non-defective at defective graphene encapsulation. ( , ) Close up TEM images para sa ( ) non-defective particle (ang nakapalibot sa pulang linya sa   at  ) at ( ) defective particle (ang nakapalibot sa asul na linya sa   at  ). Kinukumpirma ng EELS spectra sa parehong mga kaso ang lithiation. Ang mga line profile mula sa mga pulang kahon sa parehong mga kaso ay nagpapakita ng pagtaas ng interlayer distance na humigit-kumulang 3.8 Å, na nagpapakita ng lithiation sa graphene interlayer space. a b c d e d a b e a b Ang lokal na EELS analysis sa panahon ng lithiation ay nagpapatunay ng lithiation ng Si para sa parehong kaso sa pamamagitan ng malabong Li  -edge malapit sa 55 eV pati na rin ang Si  -edge sa 100 eV ( ; ref.  ). Ang layer na ipinapakita sa ibabaw ng graphene sa   ay maiuugnay sa Li/Li2O residue. Sa esensya, pinapanatili ng graphene layer ang integrasyon sa Si sa pamamagitan ng kanilang chemically bonded roots sa ibabaw ng Si, at kasabay nito, ang sliding process ay nagpapahintulot sa ilang layer na graphene coating na ma-accommodate ang volume expansion ng Si. Sa isang hiwalay na   TEM experiment sa Gr–Si LIB electrode, naobserbahan na ang average na bilang ng graphene layer na sinusukat sa iba't ibang lokasyon ay bumaba mula 9.4 hanggang 5.6 na layer ( ) pagkatapos ng unang lithiation, na muling nagkukumpirma ng interlayer sliding process. K L Fig. 3d,e 36 Fig. 3d ex situ Supplementary Fig. 6 Ang graphene encapsulation at interlayer sliding process ay nagpapataw ng clamping force na tumutulong upang mapanatili ang integridad ng Si particle sa panahon ng volume expansion. Gayunpaman, ang clamping mechanism na ito ay tila hindi nakakaapekto sa Li diffusion, dahil ang magagandang specific capacities ay nakakamit sa mga electrochemical measurement. Kapansin-pansin din na ang volume expansion ng mga particle ay, sa kabuuan, pantay sa lahat ng radial directions kahit na ang contact point sa pangalawang electrode ay lubos na localized. Ito ay nagbibigay-diin sa tendensya ng graphene layer para sa homogeneous Li ion diffusion sa Si core (tingnan ang pula at orange na dotted lines sa  ). Ang   analysis ay nagpapahiwatig din na ang Li diffusion sa pamamagitan ng graphene layer ay medyo mabilis, naaayon sa mga naunang pag-aaral , . Gayundin, napapansin na ang naobserbahang clamping effect ay pangunahin mula sa graphene coating layer kaysa sa native oxide layer sa ibabaw dahil ang surface oxide layer ay masyadong manipis upang magkaroon ng makabuluhang epekto. Ang clamping effect batay sa surface oxide layer ay naobserbahan lamang kapag ang Si ay may hollow structures ,  o ang oxide layer ay napakakapal . Fig. 3a,b in situ 30 37 7 11 38 Conductivity at electrochemical measurements Pagkatapos ng graphene growth, ang conductivity ng active material assembly ay kapansin-pansing napabuti. Kapag naka-pellet sa powder, ang pristine Si ay nagpakita ng mababang conductivity na <10−7 S cm−1, samantalang kahit na 1 wt% ng graphene addition ay makabuluhang nagpataas ng conductivity sa 12.8 S cm−1 ( ). Ang pagpapabuti na ito ay maiuugnay sa isang mahusay na percolation behavior ng graphene coating layer sa paraang ang 2D graphene at ang maayos nitong layered stacking ay nagtataguyod ng isang mahusay na konektadong conductive network ( ), at naaayon din sa mga nakaraang graphene–polymer composites . Ang conductivity ay lalo pang tumaas sa 38.3 S cm−1 para sa graphene content na 5 wt%. Fig. 4a Supplementary Fig. 7 39   ( ) Ang mga pellet conductivity ng Gr–Si, AC–Si at Super P–Si sa iba't ibang carbon content. ( ) Ang unang lithiation–delithiation profile. Ang mga electrode thickness ng 5 wt%-Gr–Si, 1 wt%-Gr–Si, 2 wt%-AC–Si at pristine Si (Super P 1 wt%) ay 4.5, 5.0, 8.3 at 12.3 μm, ayon sa pagkakabanggit. ( ) Ang capacity retention ng lithiation (filled circle) at delithiation (open circle) ng parehong apat na sample. Ang potensyal ay nag-sweep sa pagitan ng 0.01 at 1.5 V sa 0.5C. ( ) Ang mga SEM image na nakikita mula sa itaas: ang 5 wt%-Gr–Si electrode (kaliwa) bago at (gitna) pagkatapos ng 200 cycles at (kanan) ang 2 wt%-AC–Si electrode pagkatapos ng 200 cycles. ( ) Isang high-magnification TEM image ng 5 wt%-Gr–Si pagkatapos ng 200 cycles na nakuha mula sa puting kahon sa low-magnification TEM image (itaas na inset). Gitnang inset: selected area electron diffraction na nagpapakita ng amorphous nature ng Si pagkatapos ng cycling. Ibabang inset: isang line profile mula sa graphene layer sa pulang kahon na nagpapakita ng interlayer distance na 3.8 Å. a b c d e

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

Ang audio na ito ay ginawa sa orihinal na wika ng kuwento!

Ang Pagkakaroon ng Graphene ay Maaaring Magpatagal sa Mga Baterya ng EV at Mag-imbak ng Mas Maraming Enerhiya

About Author

MGA KOMENTO

HANG TAGS

ANG ARTIKULONG ITO AY IPINAKITA SA

Related Stories

Getting intimate with Ethereum tokens

Encrypted Instant Messaging Recommendations January 2017

Hosting a DNS domain on the blockchain

How I deployed my spark document classification(Logistic Regression) model/s as a standalone app…

Getting intimate with Ethereum tokens

Encrypted Instant Messaging Recommendations January 2017

Hosting a DNS domain on the blockchain

How I deployed my spark document classification(Logistic Regression) model/s as a standalone app…

Light-Mode

Classic

Newspaper

Minty

Dark-Mode

Neon Noir

Minty

HN StartUps