
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Mualliflar: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 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 Abstrakt Silikon, o'zining tengsiz tortishish sigʻimi tufayli keyingi avlod lityum-ion batareyalari anodlari uchun faol material sifatida sezilarli e'tiborga sazovor. Biroq, zaryad-zaryadsizlanish tsikllari davomida silikonning katta hajmli oʻzgarishi uning hajmiy energiya zichligi va tsikl umrini pasaytiradi. Bu yerda biz silikon karbid hosil boʻlmasdan silikon nanobudaklar ustida toʻgʻridan-toʻgʻri grafen oʻsishini xabar qilamiz. Silikon yuzasiga bogʻlangan grafen qatlamlari qoʻshni grafen qatlamlari orasidagi siljish jarayoni orqali silikonning hajmini kengayishini qoplaydi. Tijoriy lityum kobalt oksidi katodi bilan birgalikda ishlatilganda, silikon karbidsiz grafen qoplamasi toʻliq xujayraning birinchi va 200-tsiklda mos ravishda 972 va 700 Vt·soat/l hajmiy energiya zichligiga erishishga imkon beradi, bu esa hozirgi tijoriy lityum-ion batareyalarnikidan 1,8 va 1,5 barobar yuqori. Bu kuzatuv grafinning ikki oʻlchovli qatlamli tuzilishi va uning silikon bilan silikon karbidsiz integratsiyasi silikon anodlarini tijoriy jihatdan maqbul texnologiyaga aylantirish uchun prototip sifatida xizmat qilishini koʻrsatadi. Kirish Silikonning (Si) nazariy tortishish sigʻimi deyarli 4000 mA·soat/g ga etadi. Ushbu tengsiz qiymat batareya hamjamiyatini katta tadqiqotlar sarflashga undadi, chunki yuqori tortishish sigʻimi kelajakdagi LIB ilovalarini, masalan, elektr transport vositalarini haqiqatga aylantirish uchun lityum-ion batareyalarining (LIB) energiya zichligini sezilarli darajada oshirish imkonini beradi , , , , . Oʻtgan oʻn yillikda Si ning katta hajmli oʻzgarishidan kelib chiqqan doimiy sigʻimning pasayish muammolarini hal qilish uchun turli xil ilgʻor elektrod tuzilmalari , , , , , , , , , ,  va bogʻlovchi dizaynlar , ,  ishlab chiqildi, bu minglab tsikllar davomida tsikllanish koʻrsatkichlarini sezilarli darajada yaxshilashga olib keldi . Jodiy tortishish qiymati va tsikl umridagi sezilarli taraqqiyotga qaramay, hozirgacha namoyish etilgan koʻpgina Si anodlari asosan tortishish sigʻimiga qaratilgan, ammo hajmiy sigʻimida oʻxshash vaʼda bermagan, chunki mavjud elektrod dizaynlari Si ning hajmini kengayishini qoplash uchun oldindan aniqlangan boʻsh joyga tayanadi. Biroq, koʻpgina LIB ilovalarida, shu jumladan portativ elektronikada, batareya ishini belgilashda hajmiy energiya zichligi muhim parametrdir. Nisbatan yomon tsikl umri bilan birga, zaif hajmiy energiya zichligi hozirda Si anodlarini tijoriy hujayralarda qoʻllashda asosiy toʻsiqdir. Ushbu muhim talabni qondirish uchun, Si anod texnologiyasini elektrod hajmi minimallashtirilgan holda barqaror tsikllanish koʻrsatkichlarini taʼminlaydigan boshqa elektrod dizaynlari bilan qayta koʻrib chiqish kerak. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 11 Garchi turli xil Si morfologiyalari va boshqa oʻtkazuvchan materiallar bilan kompozitsiyalari hozirda mavjud boʻlsa-da, yuqori standart sifat nazoratini talab qiluvchi haqiqiy ishlab chiqarish uchun zudlik bilan yechim sifatida, faol Si komponentlarini oson va keng koʻlamli sintez qilish juda muhimdir. Amaliy qoʻllash nuqtai nazaridan, koʻplab istiqbolli nomzodlar orasida, oddiy va samarali oʻtkazuvchan sirt qoplamasiga ega tijoriy Si nanobudaklaridan foydalanish juda maqbul boʻladi. Amorf uglerod (AC) ni oʻz ichiga olgan turli xil oʻtkazuvchan materiallar Si NP anodlari uchun qoplama materiallari sifatida oʻrganilgan , , . Biroq, ularning aksariyati barqaror uzoq muddatli tsikllanish koʻrsatkichlarini taʼminlay olmasligi sababli, qoʻllanilgan qoplama materiallari Si ning hajmini kengayishini qoplay olmaydi va natijada takroriy tsikllar davomida yorilib ketadi. 8 20 21 Oldingi oʻtkazuvchan qoplamalarning cheklovlarini bartaraf etish hamda sezilarli darajada yuqori hajmiy energiya zichligi bilan yaxshi tsikllanish koʻrsatkichlariga erishish maqsadida, ushbu tadqiqotda biz Si yuzasida toʻgʻridan-toʻgʻri oʻstirilgan koʻp qatlamli grafenni qoplama materiali sifatida qabul qilamiz. Grafenning ikki oʻlchovli (2D) qatlamli xarakteri Si anodlarining noyob va samarali ishini taʼminlaydi, chunki koʻp qatlamli grafen avvaldan tayyorlangan elektrodga boʻsh joy taqdim etish zaruratisiz qatlamlar orasidagi siljish jarayoni orqali Si hajmining kengayishini qoplashi mumkin. Bundan tashqari, grafen bilan qoplangan Si NP pelletasi 1 foiz miqdordagi kam miqdordagi grafen bilan 12,8 S/sm oʻtkazuvchanlikka erishadi. Buning uchun biz mild oksidantni oʻz ichiga olgan kimyoviy bugʻ choʻkindisi (CVD) jarayonini ishlab chiqish orqali SiC hosil boʻlmasdan Si yuzalarida grafenni toʻgʻridan-toʻgʻri oʻstirish qiyinchiligini bartaraf etamiz. SiC hosil boʻlishi Si anodlarida halokatli hisoblanadi, chunki SiC elektr izolyatori boʻlib, zaif nuqsonli xarakterga ega. Bundan tashqari, SiC Li ionlari bilan reaksiyaga kirishishda faol emas va natijada Li ionining Si fazasiga kirishini cheklaydi. Grafen qatlami orasidagi siljish jarayoni va yaxshilangan oʻtkazuvchanlik yordamida, grafen bilan qoplangan Si NPlari hozirgacha maʼlum boʻlgan barcha LIB anodlari orasida eng yuqori qiymat boʻlgan 2500 mA·soat/sm³ (tijoriy grafitning 550 mA·soat/sm³ ga nisbatan) hajmiy sigʻimiga erishadi, shu bilan birga ajoyib tsikllanish va tezlik koʻrsatkichlarini namoyish etadi. Natijalar SiC-siz Si ustida grafen oʻsishi CVD jarayoni orqali Si ustida yuqori sifatli grafenni toʻgʻridan-toʻgʻri oʻstirish qiyinligi isbotlangan , chunki tipik grafen sintez sharoitlari kamaytiruvchi atmosferani talab qiladi, bu esa Si yuzasidagi tabiiy Si oksid qatlamini tozalashga moyil boʻladi va keyin Si bilan parchalanadigan uglerod prekursorlari oʻrtasida SiC hosil qiluvchi reaksiyani boshlaydi . CH4 ni H2 bilan aralashtirib ishlatgan dastlabki yondashuvimiz Si NPlarida grafen oʻsishiga erisha olmadi ( ), natijada faqat β-SiC hosil boʻldi ( ). Ushbu cheklovni bartaraf etish uchun biz CVD jarayoniga CH4 bilan birga yengil oksidlovchi boʻlgan karbonat angidrid (CO2) ni kiritdik (maʼlumotnomalar  , ). CO2 ni kiritish SiC hosil boʻlishining oldini oladi va yaxshi maʼlum boʻlgan sirt ustidagi grafen oʻsishi ga nisbatan oʻsish haroratini ham pasaytiradi. Bizning tajribamizda, 900 °C haroratda, grafen oʻsishi toʻliq yoki bir xil emas edi ( ), 1100 °C haroratda esa Si yuzasida juda qalin oksid qatlamlari hosil boʻldi, bu esa Li ionining samarali oʻtishiga toʻsqinlik qildi ( ). Oʻrtacha harorat 1000 °C da, elektron mikroskopi (TEM) rasmlarida koʻrsatilganidek ( ), 2–10 qatlam grafen hosil boʻldi, bu esa qatlamlar orasidagi masofa taxminan 3,4 Å ga yaqin ekanligini aniq koʻrsatadi ( , ichki rasm). Yaqinroq tekshirish shuni koʻrsatadiki, individual qatlamlar Si zarrachasi yuzasiga oʻz uchlari (1-rasmdagi qizil oʻqlar) orqali toʻgʻridan-toʻgʻri biriktirilgan va Si yuzasiga parallel yotadi. Ushbu yaxshi joylashtirilgan grafen qatlamlari siljish jarayoni orqali litilash paytida ham oʻzlarining qatlamli tuzilishini saqlab qolishi mumkin ( ), shu bilan Si ning hajmini kengayishini qoplashning oqlangan usulini taʼminlaydi. SiO2 yuzalarida CH4 va H2 dan foydalangan holda grafen oʻsishi amalga oshirilgan (maʼlumotnomalar  , ). Biroq, bu jarayonlardagi grafen oʻsishi juda samarasiz edi yoki SiC hosil boʻlishining oldini ololmadi. Samarasiz oʻsish SiO2 yuzasida etarli katalitik joylarning yoʻqligi bilan bogʻliq. Buning aksincha, bizning jarayonimizda CO2 qoʻshilishi SiO  shaklidagi koʻproq katalitik joylarni hosil qiladi. 22 23 Qoʻshimcha rasmi 1 Qoʻshimcha rasmi 2 24 25 23 Qoʻshimcha rasmi 3 Qoʻshimcha rasmi 4 1a,b-rasmlar 1b-rasm 1d-rasm 26 27 x   ( ) Gr–Si NP ning past kattalashtirishdagi TEM tasviri. ( ) A-dagi qizil kvadrat ichidagi shu Gr–Si NP ning yuqori kattalashtirishdagi TEM tasviri. (Ichki rasmlar) Ikki qizil kvadratdan olingan chiziqli profillar grafen qatlamlari orasidagi masofa taxminan 3,4 Å ekanligini koʻrsatadi, bu van der Waals interaksiyasiga asoslangan tipik grafen qatlamlarining masofasiga mos keladi. ( ) Individual grafen qatlamlari qayerdan oʻsayotganini koʻrsatuvchi yuqori kattalashtirishdagi TEM tasviri (qizil oʻqlar). ( ) Grafen qatlamlarining Si ning hajmiy kengayishini amortizatsiya qiluvchi siljish jarayonini koʻrsatuvchi sxematik tasvir. a b c d SiC-siz grafen oʻsishi ham umumiy, ham yakka zarracha miqyosidagi tahlillar bilan tasdiqlangan. Si 2p diapazonidagi rentgen fotoelektron spektroskopiyasi profillari ( ), shuningdek rentgen difraksiyasi (XRD) spektrlari ( ) grafen bilan qoplangan Si (Gr–Si), AC bilan qoplangan Si (AC–Si) va dastlabki Si uchun SiC ga mos keladigan choʻqqilarni koʻrsatmaydi, aksincha CH4 va H2 dan foydalangan holda CO2-siz usulda sintez qilingan nazorat (SiC–Si) namunasidan farqli oʻlaroq. Boshqa tomondan, yuqori burchakli qorongʻi maydon yordamida skanerlash TEM tasviri shuni koʻrsatdiki, Si NP lari yorqinroq yadroli va nisbatan qorongʻiroq qatlamli ichki-qobiq tuzilishiga ega, bu esa Si yadrosi va oksidi qoplamasiga toʻgʻri keladi ( ). NP boʻylab koʻplab nuqtalarda olingan elektron energiya yoʻqotish spektroskopiyasi (EELS) spektrlari ( ) SiC hosil boʻlishini aks ettiruvchi hech qanday signallarni koʻrsatmadi , bu esa mavjud oʻsish jarayonida SiC-siz oʻsishni tasdiqlaydi. Shuningdek, SiO2 signallari 108 eV da markazdagi boshqa nuqtalarga qaraganda 1 va 2 nuqtalarda kuchliroq aniqlandi, bu esa SiO2 yuzasi grafen oʻsishi uchun katalitik joylar sifatida xizmat qilishini bildiradi. SiO2 sirt qatlamlarining doimiy mavjudligi ham XRD ( ) va EELS ( ) tahlillari bilan tasdiqlangan. 2a-rasm Qoʻshimcha rasmi 2 2b-rasm 2c-rasm 28 Qoʻshimcha rasmi 2 2b,c-rasmlar   ( ) Gr–Si, SiC–Si, AC–Si va dastlabki Si uchun Si 2p diapazonidagi rentgen fotoelektron spektroskopiyasi spektrlari. ( ) Gr–Si NP ning skanerlash TEM tasviri. ( ) b nuqtalarida belgilangan nuqtalarda EELS spektrlari. a b c Sahoda TEM tahlili Endi biz Gr–Si ni LIBlarda anod materiali sifatida qoʻllashga kirishamiz. Gr–Si NP lari (1 foiz grafen) litilanishi ularning hajmiy kengayishi paytida sahoda TEM tahlili yordamida real vaqt rejimida kuzatilgan , , , . Haqiqiy tajribada, baʼzi Gr–Si zarrachalari oltin (Au) bilan mahkamlangan elektrodga joylashtirilgan. Ikkinchi, ammo harakatlanuvchi elektrod Li/LiO2 uchi bilan Gr–Si NPlariga tegib turish uchun joylashtirilgan edi . Ikkinchi elektrod bilan aloqa oʻrnatilgandan soʻng, zarrachalar shishib ketishni boshladi ( ). Ushbu jarayonning batafsilroq koʻrinishini   va   dan koʻrish mumkin. Kengayayotgan tuzilmalarning ikki turi kuzatilgan, yaʼni nuqsonsiz zarrachalar va nuqsonli zarrachalar, ular   da taʼkidlangan. Grafen zarrachani toʻliq oʻrab olgan va aniq nuqsonlari boʻlmagan hollarda ( ), diametri taxminan 30% ga oshgan (220% hajmiy kengayish). Litilanish oxirida grafen qatlamlarining qatlamlararo masofasi Li interkalatsiyasini aks ettiruvchi 3,8 Å ga koʻpaydi , va NP atrofida grafit qoplamasining qatlamli xarakteri butunlay saqlanib qoldi ( ), bu esa 3c-rasmdagi sxemada koʻrsatilgan siljish jarayonini bildiradi. Nuqsonli mintaqa mavjud boʻlgan hollarda ( dagi yashil doira qarang), shishish paytida ichki zarracha maydalanadi va nuqson orqali yoriladi ( ). Katta hajmdagi oʻzgarish paytida hosil boʻlgan stressni qanday samarali ravishda chiqarish mumkinligiga bogʻliq boʻlgan holda, Si zarrachasining yorilishi uchun kritik oʻlcham holatga qarab oʻzgarishi mumkin. 29 30 31 32 3a-rasm 3b-rasm Qoʻshimcha rasmi 5 Qoʻshimcha filmlari 1–3 3b,c-rasmlar 3d-rasm 33 3d-rasm 3a-rasm 3e-rasm   ( ) Gr–Si NP lar Au sim elektrodining yuzasiga yopishtirilgan va ikkinchi Li/LiO2 elektrod. ( ) Litilanishdan keyingi shu Gr–Si NP lar. ( ) Nuqsonsiz va nuqsonli grafen qoplamasi boʻlgan litilangan Gr–Si NP larning sxematik xulosasi. ( , ) Nuqsonsiz zarracha (a va b dagi qizil chiziq bilan oʻralgan) va nuqsonli zarracha (a va b dagi koʻk chiziq bilan oʻralgan) uchun yaqin TEM tasvirlari. Ikkala holatdagi EELS spektrlari litilanishni tasdiqlaydi. Har ikki holatdagi qizil kvadratlardan olingan chiziqli profillar litilanishni aks ettiruvchi taxminan 3,8 Å ga yaqin qatlamlararo masofalarni koʻrsatadi. a b c d e Litilanish paytida mahalliy EELS tahlili, hamda Si L-chegarasi 100 eV da ( ; Maʼlumot  ) 55 eV yaqinidagi xira Li K-chegarasi orqali ikkala holatda ham Si litilanishini tasdiqlaydi. 3d-rasmdagi grafen yuzasida koʻrsatilgan qatlam Li/Li2O qoldigʻiga toʻgʻri keladi. Asosan, grafen qatlamlari Si yuzasidagi kimyoviy bogʻlangan ildizlari orqali Si bilan integratsiyani saqlab qoladi va shu bilan birga, siljish jarayoni koʻp qatlamli grafen qoplamasiga Si ning hajmini kengayishini qoplashga imkon beradi. Alohida *ex situ* TEM tajribasida Gr–Si LIB elektrodida, birinchi litilanishdan keyin oʻrtacha grafen qatlamlari soni 9,4 dan 5,6 qatlamgacha kamayganligi kuzatildi ( ), bu qatlamlararo siljish jarayonini yana bir bor tasdiqlaydi. 3d,e-rasmlar 36 Qoʻshimcha rasmi 6 Grafen qoplamasi va qatlamlararo siljish jarayoni Si zarrachasining yaxlitligini hajmiy kengayish paytida saqlab turishga yordam beradigan siqish kuchini yaratadi. Biroq, bu siqish mexanizmi Li oʻtishiga taʼsir qilmaydi, chunki elektrod oʻlchovlarida yaxshi oʻziga xos sigʻimlar olinadi. Shuningdek, qayd etish joizki, zarrachalarning hajmiy kengayishi, ikkinchi elektrod bilan aloqa nuqtasi juda mahalliy boʻlishiga qaramay, umuman olganda, barcha radial yoʻnalishlarda bir xil edi. Bu grafen qatlamlarining Si yadrosiga bir xil Li ionining oʻtishi moyilligini taʼkidlaydi (3a,b-rasmlardagi qizil va toʻq sariq nuqtali chiziqlarga qarang). *In situ* tahlili shuningdek, grafen qatlamlari orqali Li oʻtishi juda tez ekanligini koʻrsatadi, bu oldingi tadqiqotlarga mos keladi , . Shuningdek, qayd etish joizki, kuzatilgan siqish effekti asosan grafen qoplama qatlamlaridan kelib chiqadi, sirt tabiiy oksid qatlamlaridan emas, chunki sirt oksid qatlamlari juda yupqa boʻlib, sezilarli taʼsir koʻrsata olmaydi. Sirt oksid qatlamlariga asoslangan siqish effekti faqat Si ichi boʻsh tuzilmalarga ega boʻlganda ,  yoki oksid qatlamlari juda qalin boʻlganda  kuzatilgan. 30 37 7 11 38 Oʻtkazuvchanlik va elektrokimyoviy oʻlchovlar Grafen oʻsishi bilan faol material yigʻindisining oʻtkazuvchanligi sezilarli darajada oshadi. Chang holatida granulalangan holda, dastlabki Si juda past oʻtkazuvchanlikka ega edi (<10−7 S/sm), shu bilan birga hatto 1 foiz grafen qoʻshilishi oʻtkazuvchanlikni 12,8 S/sm gacha sezilarli darajada oshirdi ( ). Ushbu yaxshilanish grafen qoplama qatlamlarining mukammal perkolatsiya xatti-harakati bilan bogʻliq boʻlib, 2D grafen va uning yaxshi joylashtirilgan qatlamli tuzilishi yaxshi ulangan oʻtkazuvchan tarmogʻni hosil qiladi ( ), va bu oldingi grafen-polimer kompozitsiyalariga ham mos keladi . 5 foizli grafen tarkibida oʻtkazuvchanlik 38,3 S/sm gacha oshdi. 4a-rasm Qoʻshimcha rasmi 7 39   ( ) Turli uglerod tarkibidagi Gr–Si, AC–Si va Super P–Si ning pellet oʻtkazuvchanliklari. ( ) Birinchi litilanish–delitilanish profillari. 5 foizli Gr–Si, 1 foizli Gr–Si, 2 foizli AC–Si va dastlabki Si (Super P 1 foiz) elektrodlarining qalinligi mos ravishda 4,5, 5,0, 8,3 va 12,3 mkm. ( ) Shu toʻrtta namunaning litilanish (toʻldirilgan doira) va delitilanish (boʻsh doira) sigʻimining saqlanishi. Potensial 0,5 C da 0,01 va 1,5 V oral a b c

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

Ushbu audio hikoyaning asl tilida yaratilgan!

Gafinningdagi yangilik EV akkumulyatorlarini uzoqroq ishlashiga va ko'proq energiya saqlashiga olib kelishi mumkin

About Author

IZOHLAR

TEGI QILISH

USHBU MAQOLA TAQDIM ETILGAN

Related Stories

Meet UzairaAdvisory, Winner of Startups of The Year 2024 in Business

Meet UzairaAdvisory, Startups of The Year 2024 Nominee

Meet Uzi World Digital, Winner of Startups of the year 2024 in Kolkata, West Bengal, India

Meet UzairaAdvisory, Winner of Startups of The Year 2024 in Business

Meet UzairaAdvisory, Startups of The Year 2024 Nominee

Meet Uzi World Digital, Winner of Startups of the year 2024 in Kolkata, West Bengal, India

Light-Mode

Classic

Newspaper

Minty

Dark-Mode

Neon Noir

Minty

HN StartUps