
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 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 henerasyon na 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 kakayahan 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 layer ng graphene na nakakabit sa ibabaw ng silicon ay tumatanggap ng paglawak ng volume ng silicon sa pamamagitan ng proseso ng pagdulas sa pagitan ng magkakatabing layer ng graphene. Kapag ipinares sa isang komersyal na lithium cobalt oxide cathode, ang graphene coating na walang silicon carbide ay nagpapahintulot sa buong cell na makamit 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 mga kasalukuyang komersyal na lithium-ion na baterya. Ang obserbasyong ito ay nagmumungkahi na ang two-dimensional na layered na istraktura ng graphene at ang pagiging walang silicon carbide na integrasyon nito sa silicon ay maaaring magsilbing prototype sa pagsulong ng mga silicon anode sa teknolohiyang magagamit sa komersyo. Introduksyon Ang teoretikal na gravimetric capacity ng silicon (Si) ay umaabot sa halos 4,000 mAh g−1. Ang walang kapantay na halagang ito ay nagpapasigla sa komunidad ng baterya na mamuhunan ng malaking pagsisikap sa pananaliksik dahil ang mataas na gravimetric capacity ay nagpapahintulot na mapataas nang malaki ang mga energy density ng lithium-ion batteries (LIBs), at sa gayon ay mailalapit ang mga hinaharap na aplikasyon ng LIB, tulad ng mga de-kuryenteng sasakyan, sa katotohanan , , , , . Sa nakalipas na dekada, iba't ibang advanced na electrode structures , , , , , , , , , ,  at binder designs , ,  ay binuo upang malutas ang mga paulit-ulit na isyu sa pagkawala ng kapasidad na nagmumula sa malaking pagbabago sa volume ng Si, na humahantong sa lubos na pinahusay na cycling performance kahit na sa libu-libong cycle . Sa kabila ng promising na gravimetric value at malaking pag-unlad sa cycle life, karamihan sa mga Si anodes na ipinakita hanggang ngayon ay pangunahing nakatuon sa gravimetric capacity ngunit hindi nag-aalok ng katulad na pangako sa kanilang volumetric capacity dahil ang mga kasalukuyang disenyo ng electrode ay nakasalalay sa pre-defined na void space upang tanggapin ang paglawak ng volume ng Si. Gayunpaman, sa maraming aplikasyon ng LIB kabilang ang portable electronics, ang volumetric energy density ay isang kritikal na parameter sa pagtukoy ng performance ng baterya. Kasama ng medyo mahinang cycle life, ang mahinang volumetric energy density ay kasalukuyang isang pangunahing sagabal sa pagpapatupad ng mga Si anodes sa mga komersyal na cell. Upang matugunan ang kritikal na pangangailangan na ito, kailangang muling bisitahin ang teknolohiya ng Si anode na may iba't ibang disenyo ng electrode na nag-aalok ng matatag na cycling performance habang ang volume ng electrode ay minimized. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 11 Bagaman ang iba't ibang mga morphology ng Si at ang kanilang mga composite sa iba pang mga conductive na materyales ay kasalukuyang magagamit, para sa agarang solusyon sa aktwal na pagmamanupaktura na nangangailangan ng mataas na antas ng quality control, ang madali at scalable na synthesis ng aktibong Si components ay mahalaga. Mula sa praktikal na pananaw ng aplikasyon, sa napakaraming mga nabubuhay na kandidato, ang paggamit ng komersyal na Si nanoparticles (NPs) na may simple at mahusay na conductive surface coating ay magiging lubos na kanais-nais. Iba't ibang conductive na materyales kabilang ang amorphous carbon (AC) ay sinuri bilang mga coating materials para sa Si NP anodes , , . Gayunpaman, karamihan sa kanila ay nabigong magbigay ng matatag na pangmatagalang cycling performance dahil ang mga ipinatupad na coating materials ay hindi makatanggap ng paglawak ng volume ng Si at dahil dito ay nababasag sa paulit-ulit na mga cycle. 8 20 21 Sa pagtatangkang tugunan ang limitasyon ng mga nakaraang conductive coatings pati na rin ang pagkamit ng magandang cycling performance na may mas mataas na volumetric energy density, sa pag-aaral na ito, ginagamit namin ang multilayer graphene na direktang itinubo sa ibabaw ng Si bilang coating material. Ang two-dimensional (2D) na layered na katangian ng graphene ay nagbibigay ng natatangi at mahusay na operasyon ng mga Si anodes dahil ang multilayered graphene ay makakatanggap ng Si volume expansion sa pamamagitan ng proseso ng pagdulas sa pagitan ng magkakatabing layer nang hindi kinakailangan na magbigay ng void space   sa ginawang electrode. Gayundin, ang graphene-coated Si NP pellet ay nagpapakita ng 12.8 S cm−1 sa isang marginal graphene content na 1 wt% sa pamamagitan ng mataas na percolation network. Sa layuning ito, nalampasan namin ang isang hamon ng pagpapalaki ng graphene nang direkta sa mga ibabaw ng Si nang walang pagbuo ng Si carbide (SiC) sa pamamagitan ng pagbuo ng isang chemical vapour deposition (CVD) process na kinabibilangan ng isang 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 pa rito, ang SiC ay hindi aktibo sa reaksyon sa Li ions at dahil dito ay humahadlang sa pagpasok ng Li ion sa Si phase. Sa tulong ng graphene interlayer sliding process at pinahusay na conductivity, ang graphene-coated Si NPs ay nakakamit ng volumetric capacity na 2,500 mAh cm−3 (kumpara sa 550 mAh cm−3 ng komersyal na graphite), ang pinakamataas na halaga sa mga naiulat hanggang sa ngayon para sa anumang LIB anodes habang nagpapakita ng mahusay na cycling at rate performance. a priori Mga 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 halong H2 ay talagang hindi nakakamit ng graphene growth sa Si NPs ( ), na nagbubunga lamang ng β-SiC ( ). Upang malampasan ang limitasyong ito, isinama namin ang carbon dioxide (CO2), isang banayad na oxidant, sa CVD process kasama ang CH4 (refs  , ). Ang pagsasama ng CO2 ay nagpapahintulot na maiwasan ang pagbuo ng SiC at binababa rin ang growth temperature kumpara sa kilalang graphene growth sa ibabaw . Sa aming eksperimento, sa 900 °C, ang graphene growth ay hindi kumpleto o hindi pantay ( ), samantalang ang graphene growth sa 1,100 °C ay nakabuo ng mga oxide layer sa ibabaw ng Si na masyadong makapal para sa epektibong Li ion diffusion ( ). Sa intermediate temperature na 1,000 °C, 2–10 layers ng graphene ang nabuo tulad ng ipinapakita sa mga transmission electron microscope (TEM) images ( ) na malinaw na nagpapakita ng layered structure pati na rin ang interlayer distance na malapit sa 3.4 Å ( , inset). Ang mas malapit na inspeksyon ay nagpapahiwatig na ang mga indibidwal na layer ay direktang nakakabit sa ibabaw ng Si particle sa kanilang mga dulo (mga pulang arrow sa  ) at nakalatag na parallel sa ibabaw ng Si. Ang mga mahusay na nakahanay na graphene layer na ito ay maaaring mapanatili ang kanilang layered stacking structure kahit na sa panahon ng lithiation sa pamamagitan ng proseso ng pagdulas ( ), kaya nagbibigay ng isang eleganteng paraan upang tanggapin ang paglawak ng volume ng Si. Ang graphene growth ay sinubukan sa mga ibabaw ng Si dioxide (SiO2) gamit ang CH4 at H2 (refs  , ). Gayunpaman, ang graphene growth sa mga prosesong iyon ay napaka-inefficient o hindi nakakaiwas sa pagbuo ng SiC. Ang inefficient growth ay iniuugnay sa hindi sapat na catalytic sites sa ibabaw ng SiO2. Sa kabaligtaran, sa aming proseso, ang pagdaragdag ng CO2 ay lumilikha ng mas maraming catalytic sites 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 nagpapakita na ang interlayer spacing sa pagitan ng mga graphene layer ay ∼3.4 Å, na naaayon sa tipikal na mga graphene layer batay sa van der Waals interaction. ( ) Isang high-magnification TEM image na nagpapakita ng mga pinagmulan (mga pulang arrow) kung saan lumalaki ang mga indibidwal na graphene layer. ( ) Isang schematic illustration na nagpapakita ng proseso ng pagdulas ng mga graphene coating layer na maaaring mag-buffer sa paglawak ng volume ng Si. a b a c d Ang SiC-free graphene growth ay napatunayan sa pamamagitan ng parehong bulk scale at single-particle scale analyses. Ang mga X-ray photoelectron spectroscopy profile sa Si 2  band ( ) pati na rin ang X-ray diffraction (XRD) spectra ( ) ay nagpapakita ng 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 control (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 nauugnay 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 anumang signal  na nagpapahiwatig ng pagbuo ng SiC, na nagkukumpirma ng SiC-free growth sa kasalukuyang growth process. Gayundin, ang mga signal ng SiO2 sa 108 eV ay nakita sa mga punto 1 at 2 nang mas malakas kaysa sa iba pang mga spot sa gitna, na nagpapahiwatig na ang ibabaw ng SiO2 ay nagsisilbing catalytic sites para sa graphene growth. Ang patuloy na pagkakaroon ng mga surface layer ng SiO2 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  TEM analysis In situ Tatalakayin na natin ngayon ang paggamit ng Gr–Si bilang anode material sa mga LIB. Ang lithiation ng Gr–Si NPs (1 wt% graphene) ay minonitor 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, electrode na may Li/LiO2 sa dulo nito ay inilagay upang dumampi sa mga Gr–Si NPs upang lithiate ang mga ito ( ). Sa sandaling nagkaroon ng kontak sa pangalawang electrode, nagsimulang lumaki ang mga particle ( ). Ang mas detalyadong impormasyon tungkol sa prosesong ito ay makikita sa   at  . Dalawang uri ng lumalaking istraktura ang naobserbahan, ang mga non-defective particles at defective particles tulad ng na-highlight sa  . Sa mga kaso kung saan ang graphene ay ganap na bumabalot sa particle at walang halatang depekto ( ), ang diameter ay tumaas ng ∼30% (220% volume expansion). Sa pagtatapos ng lithiation, ang interlayer distance ng mga graphene layer ay tumaas sa 3.8 Å na nagpapahiwatig ng Li intercalation , at ang layered characteristic ng graphitic coating ay napanatili sa paligid ng NP ( ), na nagmumungkahi ng proseso ng pagdulas sa pagitan ng mga layer tulad ng ipinakita sa  . Sa mga kaso kung saan may defective region (tingnan ang berdeng bilog sa  ), sa panahon ng paglaki, ang panloob na particle ay nababasag at lumalagos sa depekto ( ). Ang naobserbahang magkakaibang fracture behaviors ay hindi malamang na 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 particles (<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 size ng Si particle fracture ay case dependent, at nauugnay sa kung gaano kahusay ang stress na nabuo sa panahon ng paglawak ng volume ay maaaring mailabas. Ang critical size 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   ( ) Mga Gr–Si NP na nakadikit sa ibabaw ng Au wire at isang pangalawang Li/LiO2 electrode. ( ) Parehong Gr–Si NP 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 isa na bilog na may pulang linya sa   at  ) at ( ) defective particle (ang isa na bilog na may asul na linya sa   at  ). Ang EELS spectra sa parehong kaso ay nagpapatunay sa lithiation. Ang mga line profile mula sa mga pulang kahon sa parehong kaso ay nagpapakita ng pagtaas ng interlayer distances na ca. 3.8 Å, na nagpapahiwatig 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 sa lithiation ng Si para sa parehong kaso sa pamamagitan ng isang malabong Li  -edge malapit sa 55 eV pati na rin ang Si  -edge sa 100 eV ( ; ref.  ). Ang layer na ipinakita sa ibabaw ng graphene sa   ay nauugnay sa Li/Li2O residue. Sa esensya, ang mga graphene layer ay nagpapanatili ng integrasyon sa Si sa pamamagitan ng kanilang chemically bonded roots sa ibabaw ng Si, at sa parehong oras, ang proseso ng pagdulas ay nagpapahintulot sa ilang layer graphene coating na tanggapin ang paglawak ng volume ng Si. Sa isang hiwalay na   TEM experiment kasama ang Gr–Si LIB electrode, naobserbahan na ang average na bilang ng graphene layers na nasukat sa iba't ibang lokasyon ay bumaba mula 9.4 hanggang 5.6 layers ( ) pagkatapos ng unang lithiation, na muling nagkukumpirma sa interlayer sliding process. K L Fig. 3d,e 36 Fig. 3d ex situ Supplementary Fig. 6 Ang graphene encapsulation at interlayer sliding process ay naglalagay ng clamping force na tumutulong upang mapanatili ang integridad ng Si particle sa panahon ng paglawak ng volume. Gayunpaman, ang clamping mechanism na ito ay hindi mukhang nakakaapekto sa Li diffusion, dahil ang magandang specific capacities ay nakakamit sa electrochemical measurements. Kapansin-pansin din na ang paglawak ng volume 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 kakayahan ng mga graphene layer para sa homogeneous Li ion diffusion papunta sa Si core (tingnan ang pula at orange dotted lines sa  ). Ang   analysis ay nagpapahiwatig din na ang Li diffusion sa pamamagitan ng mga graphene layer ay medyo mabilis, na naaayon sa mga nakaraang pag-aaral , . Gayundin, napansin na ang naobserbahang clamping effect ay pangunahing mula sa mga graphene coating layer kaysa sa surface native oxide layers dahil ang surface oxide layers ay masyadong manipis upang magkaroon ng makabuluhang epekto. Ang clamping effect batay sa surface oxide layers ay naobserbahan lamang kapag ang Si ay may hollow structures ,  o ang oxide layers 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 pinahusay. Kapag pinelletize sa powder, ang pristine Si ay nagpakita ng mababang conductivity na <10−7 S cm−1, samantalang kahit 1 wt% ng graphene addition ay lubos na nagpataas ng conductivity sa 12.8 S cm−1 ( ). Ang pagpapahusay na ito ay iniuugnay sa mahusay na percolation behavior ng mga graphene coating layer sa paraang ang 2D graphene at ang mahusay nitong naka-align na 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 pellet conductivities ng Gr–Si, AC–Si at Super P–Si sa iba't ibang carbon contents. ( ) Ang unang lithiation–delithiation profiles. Ang mga kapal ng electrode na 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 potential ay hinanap sa loob ng voltage window sa pagitan ng 0.01 at 1.5 V sa 0.5C. ( ) Ang top-viewed SEM images: 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 (top inset). Middle inset: selected area electron diffraction na nagpapakita ng amorphous nature ng Si pagkatapos ng cycling. Bottom inset: isang line profile mula sa mga graphene layer sa pulang kahon na nagpapakita ng interlayer distance na 3 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!

Pagpapatuloy ng Graphen na Maaaring Gawing Mas Matagal ang mga Baterya ng EV at Mas Maraming Enerhiya ang Maiimbak nito

About Author

MGA KOMENTO

HANG TAGS

ANG ARTIKULONG ITO AY IPINAKITA SA

Related Stories

State of the Noonion: The Year of Profitability and Product Renaissance

COVID-19: We Need More Than Data, We Need Insights!

Hosting a DNS domain on the blockchain

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

State of the Noonion: The Year of Profitability and Product Renaissance

COVID-19: We Need More Than Data, We Need Insights!

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