```html
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 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, misli ko'rilmagan tortishish sig'imi tufayli keyingi avlod litiy-ion batareya anodlari uchun faol material sifatida sezilarli e'tibor qozonmoqda. Biroq, zaryadlash-zaryadsizlanish davrlarida silikonning katta hajmdagi o'zgarishi uning hajmiy energiya zichligi va tsikli muddatida raqobatbardoshligini zaiflashtiradi. Bu yerda biz silikon karbid hosil bo'lmasdan silikon nanozarralari ustida to'g'ridan-to'g'ri grafit o'sishini xabar qilamiz. Silikon yuzasiga biriktirilgan grafit qatlamlari yonma-yon grafit qatlamlari orasidagi siljish jarayoni orqali silikonning hajmini kengayishini o'z ichiga oladi. Tijoriy litiy kobalt oksidi katodi bilan birgalikda ishlatilganda, silikon karbidsiz grafit qoplama to'liq hujayraning birinchi va 200-davridagi tsiklda mos ravishda 972 va 700 Vt·soat/l hajmiy energiya zichligiga erishishga imkon beradi, bu esa hozirgi tijoriy litiy-ion batareyalarnikidan 1,8 va 1,5 barobar yuqori. Ushbu kuzatuv grafitning ikki o'lchovli qatlamli tuzilishi va silikon bilan silikon karbidsiz integratsiyasi silikon anodlarini tijoriy jihatdan foydali texnologiyaga aylantirish uchun prototip sifatida xizmat qilishini ko'rsatadi. Kirish Silikonning (Si) nazariy tortishish sig'imi deyarli 4000 mA·soat/g ga etadi. Ushbu misli ko'rilmagan qiymat batareya hamjamiyatini katta tadqiqot kuchlarini sarflashga undadi, chunki yuqori tortishish sig'imi kelajakdagi LIB ilovalari, masalan, elektr transport vositalari kabi energiyani tejovchi LIBlarni sezilarli darajada oshirishga imkon beradi va shu bilan kelajakdagi LIB ilovalarini haqiqatga aylantiradi , , , , . Oxirgi o'n yillikda turli xil ilg'or elektrod tuzilmalari , , , , , , , , , ,  va bog'lovchi dizaynlar , ,  Si ning katta hajmdagi o'zgarishidan kelib chiqqan uzoq muddatli quvvat yo'qotilishi muammolarini hal qilish uchun ishlab chiqilgan, hatto minglab tsikllar davomida tsikli ishlashini sezilarli darajada yaxshilaydi . Umidli tortishish qiymatiga va tsikli muddatidagi sezilarli taraqqiyotga qaramay, hozirgacha namoyish etilgan Si anodlarining ko'pchiligi tortishish sig'imiga qaratilgan, ammo hajmiy sig'imi bo'yicha shunga o'xshash va'da bermagan, chunki mavjud elektrod dizaynlari Si hajmining kengayishini o'z ichiga olish uchun oldindan belgilangan bo'sh joyga tayanadi. Biroq, ko'pgina LIB ilovalari, shu jumladan portativ elektronika, hajmiy energiya zichligi batareya ishini belgilashda muhim parametrdir. Nisbatan past tsikli muddat bilan bir qatorda, zaif hajmiy energiya zichligi hozirda Si anodlarini tijoriy hujayralarga tatbiq etishda asosiy to'siqdir. Ushbu muhim talabni qondirish uchun, Si anod texnologiyasini elektrod hajmi minimallashtirilgan holda barqaror tsikli ishlashini ta'minlaydigan turli elektrod dizaynlari bilan qayta ko'rib chiqish kerak. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 11 Mavjud bo'lgan turli xil Si morfologiyalari va boshqa o'tkazuvchan materiallar bilan kompozitlari mavjud bo'lsa-da, yuqori standartli sifat nazoratini talab qiladigan haqiqiy ishlab chiqarish uchun zudlik bilan yechim topish uchun faol Si komponentlarining oson va keng ko'lamli sintezi juda muhimdir. Amaliy qo'llash nuqtai nazaridan, ko'plab mavjud nomzodlar orasida, oddiy va samarali o'tkazuvchan sirt qoplamali tijoriy Si nanozarralaridan foydalanish juda istiqbolli bo'ladi. Amorf uglerod (AC) kabi turli o'tkazuvchan materiallar Si NP anodlari uchun qoplama materiallari sifatida o'rganilgan , , . Biroq, ularning ko'pchiligi barqaror uzoq muddatli tsikli ishlashini ta'minlay olmaydi, chunki qo'llanilgan qoplama materiallari Si ning hajmini kengayishini o'z ichiga ololmaydi va natijada takroriy tsikllarda sinadi. 8 20 21 Oldingi o'tkazuvchan qoplamalarning cheklovlarini bartaraf etish va sezilarli darajada yuqori hajmiy energiya zichligi bilan yaxshi tsikli ishlashiga erishish maqsadida, ushbu tadqiqotda biz Si yuzasida to'g'ridan-to'g'ri o'stirilgan ko'p qatlamli grafitni qoplama materiali sifatida qabul qilamiz. Grafitning ikki o'lchovli (2D) qatlamli xarakteri Si anodlarining noyob va samarali ishlashini ta'minlaydi, chunki ko'p qatlamli grafit oldindan tayyorlangan elektrodga bo'sh joy kerak bo'lmasdan, yonma-yon qatlamlar orasidagi siljish jarayoni orqali Si hajmini kengayishini o'z ichiga oladi. Bundan tashqari, grafit bilan qoplangan Si NP pelletasi marginal grafit miqdori 1 ppm bo'lgan holda 12,8 S·sm−1 gacha yuqori perkolyatsiya tarmog'i orqali erishadi. Shu maqsadda biz yumshoq oksidlovchidan foydalangan kimyoviy bug'li cho'ktirish (CVD) jarayonini ishlab chiqish orqali Si yuzasida to'g'ridan-to'g'ri grafit o'sishi muammosini bartaraf etdik. SiC hosil bo'lishi Si anod operatsiyalarida halokatli hisoblanadi, chunki SiC elektr izolyatori bo'lib, kam nuqson xarakteristikasiga ega. Bundan tashqari, SiC Li ionlari bilan reaksiyaga kirishmaydi va natijada Si fazasiga Li ion diffuziyasini to'sqinlik qiladi. Grafit qatlamlari orasidagi siljish jarayoni va yaxshilangan o'tkazuvchanlik yordamida, grafit bilan qoplangan Si NP hajmiy sig'imi 2500 mA·soat/sm³ (tijoriy grafitning 550 mA·soat/sm³ ga nisbatan) ga etadi, bu hozirgi kungacha LIB anodlari uchun qayd etilgan eng yuqori qiymat bo'lib, mukammal tsikli va tezlik samaradorligini ko'rsatadi. Natijalar SiC-siz grafitning Si ustida o'sishi CVD jarayoni orqali Si ustida yuqori sifatli grafitning to'g'ridan-to'g'ri o'sishi qiyin bo'lgani isbotlangan , chunki tipik grafit sintez sharoitlari kamaytiruvchi atmosferani talab qiladi, bu esa Si yuzasidan mahalliy Si oksidi qatlamini olib tashlashga va keyinchalik Si va parchalanuvchi uglerod prekursorlari o'rtasida SiC hosil qilish reaksiyasini qo'zg'atishga moyil . Metanni (CH4) H2 bilan aralashtirilgan holda uglerod prekursor sifatida ishlatgan dastlabki yondashuvimiz haqiqatan ham Si NP larida grafit o'sishiga erisha olmadi ( ), faqat β-SiC hosil qildi ( ). Ushbu cheklovni bartaraf etish uchun biz yumshoq oksidlovchi bo'lgan karbonat angidridni (CO2) CVD jarayonida CH4 (ref. , ) bilan birga kiritdik. CO2 qo'shilishi SiC hosil bo'lishini oldini olishga va sirtda yaxshi ma'lum bo'lgan grafit o'sishi bilan solishtirganda o'sish haroratini pasaytirishga imkon beradi . Bizning tajribamizda, 900 °C da, grafit o'sishi tugallanmagan yoki bir xil bo'lmagan ( ), shu bilan birga 1100 °C da grafit o'sishi samarali Li ion diffuziyasi uchun juda qalin oksidi qatlamlarini hosil qildi ( ). Oraliq harorat 1000 °C da, 2-10 ta grafit qatlami hosil bo'ldi, bu esa elektron mikroskop (TEM) tasvirlarida ko'rsatilgan ( ), bu qatlamli tuzilmani va taxminan 3,4 Å bo'lgan qatlamlar orasidagi masofani aniq ko'rsatadi ( , qisqa). Yaqinroq tekshirish shuni ko'rsatadiki, individual qatlamlar Si zarralarining sirtiga uchlaridan biriktirilgan (1c-rasmdagi qizil o'qlar) va Si yuzasiga parallel ravishda yotadi. Ushbu yaxshi tekislangan grafit qatlamlari litilash davrida siljish jarayoni orqali o'zlarining qatlamli yig'ilish tuzilishini saqlab qolishlari mumkin ( ), shu bilan Si hajmini kengayishini o'z ichiga olish uchun oqlangan usulni ta'minlaydi. Si dioksidi (SiO2) yuzalarida CH4 va H2 dan foydalangan holda grafit o'sishi amalga oshirilgan (ref. , ). Biroq, bu jarayonlarda grafit o'sishi juda samarasiz bo'lgan yoki SiC hosil bo'lishini oldini olmagan. Samarasiz o'sish SiO2 yuzasida etarli katalitik joylarning yo'qligi bilan bog'liq. Buning aksi o'laroq, bizning jarayonimizda CO2 qo'shilishi ba'zi nuqsonlarga ega bo'lgan SiO  shaklida ko'proq katalitik joylarni hosil qiladi. 22 23 1-qo'shimcha rasm 2-qo'shimcha rasm 24 25 23 3-qo'shimcha rasm 4-qo'shimcha rasm 1a,b-rasm 1b-rasm 1d-rasm 26 27 x   ( ) Gr–Si NP ning past kattalashtirilgan TEM tasviri. ( )   dagi qizil quti dan olingan shu Gr–Si NP ning yuqori kattalashtirilgan TEM tasviri. (Qisqa) Ikki qizil quti dan olingan chiziqli profillar grafit qatlamlari orasidagi masofa taxminan 3,4 Å ekanligini ko'rsatadi, bu van der Waals ta'siri asosida tipik grafit qatlamlari masofasiga mos keladi. ( ) Individual grafit qatlamlari o'sadigan joylarni (qizil o'qlar) vizualizatsiya qiluvchi yuqori kattalashtirilgan TEM tasviri. ( ) Si hajmini kengayishini buferlay oladigan grafit qoplama qatlamlarining siljish jarayonini ko'rsatuvchi sxematik tasvir. a b a c d SiC-siz grafit o'sishi ham massa miqyosida, ham yakka zarra miqyosida tahlil qilingan. Si 2  bandidagi rentgen fotoelektron spektroskopiya profillari ( ) hamda rentgen difraksiyasi (XRD) spektri ( ) grafit qoplangan Si (Gr–Si), AC qoplangan Si (AC–Si) va asl Si uchun SiC ga mos keladigan cho'qqilarni ko'rsatmaydi, CH4 va H2 dan foydalangan holda CO2-siz usulda sintez qilingan nazorat (SiC–Si) namunasi bilan solishtirganda. Boshqa tomondan, yuqori burchakli quyuq maydonli skanerlash TEM tasviri Si NP yadrosi va nisbatan qorong'roq qobig'i bo'lgan yadrosimon tuzilmani ko'rsatdi, bu esa Si yadrosi va oksidi qoplamasiga to'g'ri keladi ( ). NP bo'ylab ko'plab nuqtalarda olingan elektron energiya yo'qotish spektroskopiyasi (EELS) spektri ( ) SiC hosil bo'lishini aks ettiruvchi signallarni ko'rsatmadi , bu joriy o'sish jarayonida SiC-siz o'sishni tasdiqlaydi. Bundan tashqari, SiO2 signallari 108 eV da markazdagi boshqa nuqtalarga qaraganda 1 va 2 nuqtalarda kuchliroq aniqlandi, bu esa SiO2 yuzasi katalitik joylar sifatida xizmat qilishini anglatadi. SiO2 yuzasi qatlamlarining doimiy mavjudligi ham XRD ( ) va EELS ( ) tahlillari bilan tasdiqlangan. p 2a-rasm 2-qo'shimcha rasm 2b-rasm 2c-rasm 28 2-qo'shimcha rasm 2b,c-rasm   ( ) Gr–Si, SiC–Si, AC–Si va asl Si uchun Si 2  bandidagi rentgen fotoelektron spektroskopiya spektri. ( ) Gr–Si NP ning skanerlash TEM tasviri. ( )   da ko'rsatilgan nuqtalar uchun EELS spektri. a p b c b  TEM tahlili In situ Endi biz Gr–Si dan LIB larda anod materiali sifatida foydalanishga o'tamiz. Gr–Si NP larining (1 ppm grafit) litilash jarayoni ularning hajmiy kengayishi paytida real vaqt rejimida   TEM tahlili yordamida kuzatilgan , , , . Haqiqiy tajribada, ba'zi Gr–Si zarralari oltin (Au) bilan mahkamlangan elektrodga joylashtirilgan. Ikkinchi, lekin harakatchan elektrod Li/LiO2 uchida joylashgan bo'lib, ularni litilash uchun Gr–Si NP lari bilan aloqada bo'lishi uchun joylashtirilgan ( ). Ikkinchi elektrod bilan aloqa o'rnatilgandan so'ng, zarralar shishishni boshladi ( ). Ushbu jarayon haqida ko'proq tafsilotlarni   va   ko'rish mumkin. Kengayotgan tuzilmalarning ikki turi kuzatildi, ya'ni nuqsonsiz zarralar va nuqsonli zarralar, ular   ta'kidlangan. Grafit zarani to'liq qamrab olgan va aniq nuqsonlarga ega bo'lmagan hollarda ( ), diametri ~30% (220% hajmiy kengayish) ga oshdi. Litilash oxirida grafit qatlamlarining qatlamlar orasidagi masofa Li interkalatsiyasini ( ) aks ettiruvchi 3,8 Å ga oshdi va grafit qoplamasining qatlamli xarakteristikasi NP atrofida saqlandi ( ), bu esa   tasvirlangan siljish jarayonini taklif qiladi. Nuqsonli mintaqa mavjud bo'lgan hollarda ( ), shishish paytida ichki zarra parchalanadi va nuqson orqali yoriladi ( ). Kuzatilgan aniq sinish xatti-harakatlari zarraning o'lchamidan kelib chiqishi dargumon, chunki singan zarralardan kattaroq qamrab olingan zarrasi ( ) sinmagan (qo'shimcha 5-rasmdagi 0 va 40 soniyalarda ko'rsatilgan zarralarga qarang). Shuningdek, yaqinda o'tkazilgan kuzatuv  shuni ko'rsatadiki, agar qamrab olinmagan bo'lsa, hatto kichikroq Si zarralari (<50 nm) ham ichidagi Li konsentratsiyasi gradienti tufayli sinishi mumkin, bu esa katta kuch hosil qiladi. Aslida, Si zarralarining sinishining kritik o'lchami holatga bog'liq va hajmiy kengayish paytida hosil bo'lgan stressning qanchalik samarali ravishda chiqarilishi bilan bog'liq. Kritik o'lcham >200 nm ga (ref. ) yetishi mumkin. in situ 29 30 31 32 3a-rasm 3b-rasm 5-qo'shimcha rasm 1-3-qo'shimcha videolarda 3b,c-rasmlarda 3d-rasm 33 3d-rasm 3c-rasmda 3a-rasmdagi yashil doira 3e-rasm 3-rasm 34 35   ( ) Au simining yuzasiga yopishtirilgan Gr–Si NP va ikkinchi Li/LiO2 elektrod. ( ) Litilashdan keyingi shu Gr–Si NP lar. ( ) Nuqsonsiz va nuqsonli grafit qoplamasi uchun litilashgan Gr–Si NP larining sxematik xulosasi. ( , ) Yaqinlashtirilgan TEM tasvirlari ( ) nuqsonsiz zarrasi (  va  dagi qizil chiziq bilan aylantirilgan) va ( ) nuqsonli zarrasi (  va  dagi ko'k chiziq bilan aylantirilgan). Ikkala holatdagi EELS spektri litilashni tasdiqlaydi. Ikkala holatdagi qizil qutilardan olingan chiziqli profillar taxminan 3,8 Å bo'lgan qatlamlar orasidagi masofani ko'rsatadi, bu litilashni grafit qatlamlari orasidagi bo'shliqqa aks ettiradi. a b c d e d a b e a b Litilash paytida mahalliy EELS tahlili Si ning litilashini ikkala holatda ham xira Li  -chegarasi (taxminan 55 eV) va Si  -chegarasi (100 eV) orqali tasdiqlaydi ( ; ref. ). 3d-rasmdagi grafit yuzasida ko'rsatilgan qatlam Li/Li2O qoldig'iga to'g'ri keladi. Asosan, grafit qatlamlari ularning Si yuzasidagi kimyoviy bog'langan ildizlari orqali Si bilan integratsiyani saqlaydi va shu bilan birga, siljish jarayoni ko'p qatlamli grafit qoplamasiga Si hajmini kengayishini o'z ichiga olish imkonini beradi. Alohida   TEM tajribasida, Gr–Si LIB elektrodida, birinchi litilashdan keyin o'rtacha grafit qatlamlari soni 9,4 dan 5,6 qatlamga kamayganligi kuzatilgan ( ), bu esa qatlamlar orasidagi siljish jarayonini yana bir bor tasdiqlaydi. K L 3d,e-rasm 36 ex situ 6-qo'shimcha rasm Grafit qamrovi va qatlamlar orasidagi siljish jarayoni Si zarralarining hajmiy kengayishi paytida yaxlitligini saqlashga yordam beradigan tortishish kuchini hosil qiladi. Biroq, bu tortishish mexanizmi Li diffuziyasiga ta'sir qilmaydi, chunki elektrokimyoviy o'lchovlarda yaxshi o'ziga xos sig'imlar erishilgan. Shuningdek, kontakt nuqtasi juda lokal bo'lishiga qaramay, zarralarning hajmiy kengayishi, umumiy hisobda, barcha radial yo'nalishlarda bir xil bo'lganligi ta'kidlanadi. Bu grafit qatlamlarining Si yadrosiga bir xil Li ion diffuziyasiga moyilligini ta'kidlaydi (3a,b-rasmlardagi qizil va to'q sariq nuqtali chiziqlarga qarang).   tahlili shuningdek, grafit qatlamlari orqali Li diffuziyasi juda tez ekanligini ko'rsatadi, bu oldingi tadqiqotlar bilan mos keladi , . Shuningdek, kuzatilgan tortishish ta'siri asosan grafit qoplama qatlamlaridan kelib chiqadi, na sirt tabiiy oksidi qatlamlaridan, chunki sirt oksidi qatlamlari sezilarli ta'sir ko'rsatishi uchun juda yupqa. Sirt oksidi qatlamlariga asoslangan tortishish effekti faqat Si ichi bo'sh tuzilmalarga ,  yoki oksidi qatlamlari juda qalin bo'lganida  kuzatilgan. In situ 30 37 7 11 38 O'tkazuvchanlik va elektrokimyoviy o'lchovlar Grafit o'sishidan so'ng, faol material yig'indisining o'tkazuvchanligi sezilarli darajada oshadi. Chang shaklida pelletlangan holda, asl Si past o'tkazuvchanlikka ega edi <10−7 S·sm−1 bo'lgan, shu bilan birga 1 ppm grafit qo'shilishi o'tkazuvchanlikni 12,8 S·sm−1 ga sezilarli darajada oshirdi ( ). Ushbu yaxshilanish grafit qoplama qatlamlarining mukammal perkolyatsiya xatti-harakatlari bilan bog'liq bo'lib, 2D grafit va uning yaxshi tekislangan qatlamli yig'ilishi yaxshi ulangan o'tkazuvchanlik tarmog'ini hosil qiladi ( ), bu esa oldingi grafit–polimer kompozitlari bilan ham mos keladi 4a-rasm 7-qo'shimcha rasm

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

Ushbu audio hikoyaning asl tilida yaratilgan!

Grafen yutqichilishi EV batareyalarining ishlash muddatini uzaytirishi va ko'proq energiya saqlashi mumkin

About Author

IZOHLAR

TEGI QILISH

USHBU MAQOLA TAQDIM ETILGAN

Related Stories

Meet UzairaAdvisory, Startups of The Year 2024 Nominee

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

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

Meet UzairaAdvisory, Startups of The Year 2024 Nominee

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

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