```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, o'zining tengsiz tortishish sig'imi tufayli keyingi avlod lityum-ionli batareyalar uchun faol material sifatida sezilarli e'tiborga sazovor bo'lmoqda. Biroq, zaryad-zaryadsizlanish davrlarida silikonning katta hajmdagi o'zgarishi uning hajmiy energiya zichligi va tsikli davomida raqobatbardoshligini zaiflashtiradi. Bu yerda biz silikon karbid hosil bo'lmasdan, silikon nanozarralari ustida to'g'ridan-to'g'ri grafen o'stirilishini xabar qilamiz. Silikon yuzasiga bog'langan grafen qatlamlari tutash grafen qatlamlari orasidagi siljish jarayoni orqali silikonning hajmini kengayishini moslashtiradi. Tijoriy lityum kobalt oksidi katodi bilan juftlanganda, silikon karbidsiz grafen qoplamasi to'liq hujayraning birinchi va 200-davrdagi tsiklida mos ravishda 972 va 700 Vt·soat/l hajmiy energiya zichligiga erishishiga imkon beradi, bu esa hozirgi tijoriy lityum-ionli batareyalardan 1,8 va 1,5 baravar yuqori. Ushbu kuzatuv shuni ko'rsatadiki, grafenning ikki o'lchovli qatlamli tuzilishi va silikon bilan silikon karbid hosil qilmay integratsiyasi silikon anodlarni tijoriy jihatdan foydali texnologiyaga aylantirishda prototip sifatida xizmat qilishi mumkin. Kirish Silikonning (Si) nazariy tortishish sig'imi deyarli 4000 mA·soat/g ga etadi. Ushbu tengsiz qiymat batareya hamjamiyatini katta tadqiqot kuchlarini sarflashga undadi, chunki yuqori tortishish sig'imi lityum-ionli batareyalar (LIB) energiya zichligini sezilarli darajada oshirishga imkon beradi va shu bilan elektr transport vositalari kabi kelajakdagi LIB ilovalarini haqiqatga aylantiradi , , , , . So'nggi o'n yil ichida Si ning katta hajmdagi o'zgarishidan kelib chiqqan doimiy sig'imning pasayish muammolarini hal qilish uchun turli xil ilg'or elektrod tuzilmalari , , , , , , , , , ,  va bog'lovchi dizaynlar , ,  ko'p minglab tsikllar davomida sezilarli darajada yaxshilangan tsikl ishlashiga olib keldi . Perspektivli tortishish qiymati va tsikl davomiyligida sezilarli taraqqiyotga qaramay, hozirgacha namoyish etilgan ko'pchilik Si anodlari asosan tortishish sig'imiga qaratilgan, ammo hajmiy energiya zichligida shunga o'xshash va'da bermagan, chunki mavjud elektrod dizaynlari Si hajmining kengayishini moslashtirish uchun oldindan belgilangan bo'sh joyga tayanadi. Biroq, ko'plab LIB ilovalarida, shu jumladan portativ elektronika, batareya ishlashini aniqlashda hajmiy energiya zichligi muhim parametrdir. Nisbatan past tsikl davomiyligi bilan bir qatorda, zaif hajmiy energiya zichligi hozirda Si anodlarini tijoriy hujayralarga joriy etishda asosiy to'siqdir. Ushbu muhim talabni qondirish uchun Si anod texnologiyasi elektrod hajmini minimallashtirish bilan barqaror tsikl ishlashini ta'minlaydigan boshqa elektrod dizaynlari bilan qayta ko'rib chiqilishi 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 ularning boshqa o'tkazgich materiallar bilan kompozitsiyalari hozirda mavjud bo'lsa-da, yuqori standart sifat nazoratini talab qiladigan haqiqiy ishlab chiqarish uchun darhol echim topish uchun faol Si komponentlarini oson va keng ko'lamli sintez qilish juda muhimdir. Amaliy dastur nuqtai nazaridan, ko'plab potentsial nomzodlar orasida, oddiy va samarali o'tkazgichli sirt qoplamasiga ega tijoriy Si nanozarralaridan (NP) foydalanish juda istiqbolli bo'ladi. Amorf uglerod (AC) kabi turli o'tkazgich materiallar Si NP anodlari uchun qoplama materiallari sifatida o'rganilgan , , . Biroq, ularning aksariyati barqaror uzoq muddatli tsikl ishlashini ta'minlay olmaydi, chunki qo'llanilgan qoplama materiallari Si hajmining kengayishini moslashtira olmaydi va natijada takroriy tsikllar davomida yoriladi. 8 20 21 Oldingi o'tkazgich qoplamalarining cheklovlarini bartaraf etish hamda sezilarli darajada yuqori hajmiy energiya zichligi bilan yaxshi tsikl ishlashiga erishish maqsadida, bu tadqiqotda biz Si yuzasida to'g'ridan-to'g'ri o'stirilgan ko'p qavatli grafenni qoplama materiali sifatida qabul qilamiz. Grafenning ikki o'lchovli (2D) qatlamli xarakteri Si anodlarining noyob va samarali ishlashini ta'minlaydi, chunki ko'p qavatli grafen oldindan tayyorlangan elektrodga bo'sh joy taqdim etmasdan, qatlamlar orasidagi siljish jarayoni orqali Si hajmining kengayishini moslashtira oladi. Bundan tashqari, grafen bilan qoplangan Si NP pellet 1,2,5 foiz miqdorida juda oz miqdorda o'tkazgichlikka ega bo'lib, yuqori perkolatsiya tarmog'i orqali 12,8 S·sm−1 ga erishadi. Buning uchun biz uglerodning yumshoq oksidlovchisini o'z ichiga olgan kimyoviy bug'li cho'ktirish (CVD) jarayonini ishlab chiqish orqali Si yuzasida to'g'ridan-to'g'ri Si karbid (SiC) hosil bo'lmasdan grafen o'stirish muammosini bartaraf etdik. SiC hosil bo'lishi Si anod operatsiyalarida halokatli, chunki SiC elektr izolyatori bo'lib, yomon nuqson xarakteristikalariga ega. Bundan tashqari, SiC Li ionlari bilan reaksiyaga kirishmaydi va natijada Si fazasiga Li ion diffuziyasini sekinlashtiradi. Grafen qatlamlarining siljish jarayoni va yaxshilangan o'tkazgichlik yordamida, grafen bilan qoplangan Si NPlar 2500 mA·soat/sm³ hajmiy sig'imga erishadi (tijoriy grafitning 550 mA·soat/sm³ ga nisbatan), bu hozirgacha LIB anodlari uchun qayd etilgan eng yuqori qiymat bo'lib, mukammal tsikl va tezlik ko'rsatkichlarini namoyish etadi. Natijalar SiC-siz Si ustida grafen o'sishi CVD jarayoni orqali Si ustida yuqori sifatli grafenning to'g'ridan-to'g'ri o'stirilishi qiyin bo'lib chiqdi , chunki tipik grafen sintez sharoitlari kamaytiruvchi atmosferani talab qiladi, bu esa Si yuzasidagi tabiiy Si oksidi qatlamini olib tashlashga moyil, keyin esa Si va parchalangan uglerod prekursorlari o'rtasida SiC hosil qiluvchi reaksiya yuzaga keladi . Metan (CH4)ni H2 bilan aralashtirilgan uglerod prekursor sifatida ishlatgan dastlabki urinishimiz haqiqatan ham Si NPlar ustida grafen o'sishiga erisha olmadi ( ), buning natijasida faqat β-SiC hosil bo'ldi ( ). Ushbu cheklovni bartaraf etish uchun biz CH4 (ref.  , ) bilan birga CVD jarayoniga yumshoq oksidlovchi CO2 ni kiritdik. CO2 ni kiritish SiC hosil bo'lishining oldini oladi va mashhur grafen o'sishiga nisbatan o'sish haroratini ham pasaytiradi . Bizning tajribamizda, 900°C haroratda, grafen o'sishi to'liq yoki bir xil emas edi ( ), 1100°C haroratda esa Li ion diffuziyasi uchun juda qalin oksidi qatlamlari hosil bo'ldi ( ). 1000°C oraliq haroratda, elektron mikroskop (TEM) tasvirlarida ko'rsatilganidek ( ), 2-10 qavatli grafen hosil bo'ldi, bu esa qatlamli tuzilmani va taxminan 3,4 Å oralig'idagi qatlamlar orasidagi masofani aniq ko'rsatadi ( , qo'shimcha). Yaqinroq tekshiruv shuni ko'rsatadiki, individual qatlamlar o'zlarining uchlari orqali (1-rasm c-dagi qizil o'qlar) Si zarra yuzasiga to'g'ridan-to'g'ri bog'langan va Si yuzasiga parallel ravishda joylashgan. Ushbu yaxshi hizolangan grafen qatlamlari siljish jarayoni orqali litilash paytida ham qatlamli yig'ish tuzilmasini saqlab qolishi mumkin ( ), shu bilan Si hajmining kengayishini moslashtirish uchun ajoyib vosita taqdim etadi. CH4 va H2 (ref.  , ) yordamida SiO2 yuzalarida grafen o'sishi amalga oshirildi. Biroq, bu jarayonlarda grafen o'sishi juda samarasiz edi yoki SiC hosil bo'lishining oldini ololmadi. Samarasizlik SiO2 yuzasidagi etarli katalitik saytlarning yo'qligi bilan bog'liq. Buning aksi o'laroq, bizning jarayonimizda CO2 qo'shilishi ba'zi nuqsonlarga ega SiO  shaklidagi ko'proq katalitik saytlarni hosil qiladi. 22 23 Qo'shimcha rasmi 1 Qo'shimcha rasmi 2 24 25 23 Qo'shimcha rasmi 3 Qo'shimcha rasmi 4 1-rasm a,b 1-rasm b 1-rasm d 26 27 x   ( ) Gr–Si NP ning kam o'lchovli TEM tasviri. ( ) 1-rasm   dagi oq kvadratdan olingan xuddi shu Gr–Si NP ning yuqori o'lchovli TEM tasviri. (Qo'shimchalar) Ikki qizil kvadratdan olingan chiziqli profillar grafen qatlamlari orasidagi masofa taxminan 3,4 Å ekanligini ko'rsatadi, bu van der Waals kuchi asosida odatiy grafen qatlamlari bilan yaxshi mos keladi. ( ) Individual grafen qatlamlari o'sadigan joylardan (qizil o'qlar) vizual ravishda ko'rsatuvchi yuqori o'lchovli TEM tasviri. ( ) Si hajmining kengayishini buferlash mumkin bo'lgan grafen qatlamlarining siljish jarayonini ko'rsatuvchi sxematik tasvir. a b a c d SiC-siz grafen o'sishi ham ommaviy hamda yakka zarra miqyosidagi tahlillar bilan tasdiqlandi. Si 2  bandidagi rentgen fotoelektron spektroskopiyasi profillari ( ) hamda rentgen difraksiyasi (XRD) spektrlari ( ) grafen bilan qoplangan Si (Gr–Si), AC bilan qoplangan Si (AC–Si) va asl Si uchun SiC ga mos keladigan cho'qqilarni ko'rsatmaydi, bu esa CH4 va H2 dan foydalangan holda CO2-siz usulda sintez qilingan nazorat (SiC–Si) namunasi bilan farq qiladi. Boshqa tomondan, yuqori burchakli qorong' maydonidan foydalangan holda skanerlash TEM tasviri Si NP ning yadro-qobiq tuzilishiga ega ekanligini ko'rsatdi, bu yorqinroq yadro va nisbatan quyuqroq qobiqdan iborat bo'lib, ular Si yadrosi va oksidi qoplamasiga to'g'ri keladi ( ). NP bo'ylab ko'plab nuqtalardan olingan elektron energiyasi yo'qotish spektroskopiyasi (EELS) spektrlari ( ) SiC hosil bo'lishini aks ettiruvchi hech qanday signallarni ko'rsatmadi , bu hozirgi o'sish jarayonida SiC-siz o'sishni tasdiqlaydi. Shuningdek, 108 eV dagi SiO2 signallari 1 va 2 nuqtalarda markazdagi boshqa nuqtalarga nisbatan kuchliroq aniqlandi, bu SiO2 yuzasi grafen o'sishi uchun katalitik saytlar sifatida xizmat qilishini bildiradi. SiO2 yuzasi qatlamlarining doimiy mavjudligi XRD ( ) va EELS ( ) xarakteristikasi bilan ham tasdiqlangan. p 2-rasm a Qo'shimcha rasmi 2 2-rasm b 2-rasm c 28 Qo'shimcha rasmi 2 2-rasm b,c   ( ) Gr–Si, SiC–Si, AC–Si va asl Si uchun Si 2 a p bandidagi rentgen fotoelektron spektroskopiyasi spektrlari. ( ) Gr–Si NP ning skanerlash TEM tasviri. ( )   da ko'rsatilgan nuqtalar uchun EELS spektrlari. b c b 
 
 
 
 
 
 
 
 
  TEM tahlili In situ Endi biz Gr–Si ni LIB larda anod materiali sifatida ishlatishga o'tamiz. Gr–Si NP larining (1 foiz grafen) litilash jarayoni ularning hajmi kengayishi paytida   TEM tahlili yordamida real vaqt rejimida kuzatildi , , , . Haqiqiy tajribada, ba'zi Gr–Si zarralari oltin (Au) bilan mahkamlangan elektrodga joylashtirildi. Ikkinchi, harakatlanuvchi elektrod Li/LiO2 uchi bilan Gr–Si NPlariga tegib turishi uchun joylashtirildi ( ). Ikkinchi elektrod bilan aloqa o'rnatilgandan so'ng, zarralar shishib ketishni boshladi ( ). Bu jarayon haqidagi batafsil ma'lumotlarni   va   dan ko'rish mumkin. Ikki turdagi kengayuvchi tuzilmalar kuzatildi, ya'ni nuqsonsiz zarralar va nuqsonli zarralar, 3-rasm   da ko'rsatilgan. Agar grafen zarani to'liq qoplaydi va aniq nuqsonlarga ega bo'lmasa ( ), diametri taxminan 30% ga oshdi (220% hajmiy kengayish). Litilash oxirida, grafen qatlamlarining qatlamlar orasidagi masofa Li interkalatsiyasini aks ettiruvchi 3,8 Å ga ko'tarildi , va grafit qoplamasining qatlamli xarakteristikasi NP atrofida saqlandi ( ), bu esa 3-rasm   da tasvirlangan siljish jarayonini bildiradi. Nuqsonli mintaqa mavjud bo'lgan hollarda (3-rasm   dagi yashil doira qarang), kengayish paytida ichki zarra parchalanadi va nuqson orqali yoriladi ( ). Kengayish paytida hosil bo'ladigan stressni samarali ravishda chiqarib tashlashga bog'liq bo'lgan zarra sing'ishining kritik o'lchami holatga bog'liq va 200 nm dan katta bo'lishi mumkin ( ). Kuzatilgan aniq yorilish xatti-harakatlari zarraning o'lchamidan kelib chiqishi dargumon, chunki singan zarralardan kattaroq qoplangan zarra ( ) yorilmagan (3-rasmda ko'rsatilgan zarralarga qarang   da 0 va 40 soniyalar). Shuningdek, yaqinda o'tkazilgan kuzatuv  shuni ko'rsatadiki, agar qoplanmagan bo'lsa, hatto kichikroq Si zarralari (<50 nm) ham zarralar ichidagi Li konsentratsiyasi gradienti tufayli yorilishi mumkin, bu esa sezilarli stressni yaratishi mumkin. Aslida, Si zarralari sing'ishining kritik o'lchami holatga bog'liq va hajmiy kengayish paytida hosil bo'lgan stressni qanchalik samarali ravishda chiqarib tashlash mumkinligi bilan bog'liq. in situ 29 30 31 32 3-rasm a 3-rasm b Qo'shimcha rasmi 5 Qo'shimcha filmlar 1–3 b,c 3-rasm d 33 3-rasm d c a 3-rasm e 35 3-rasm Qo'shimcha rasmi 5 34   ( ) Gr–Si NPlar Au sim yuzasiga va ikkinchi Li/LiO2 elektrodiga biriktirilgan. ( ) Litilashdan keyingi xuddi shu Gr–Si NPlar. ( ) Nuqsonsiz va nuqsonli grafen enkapsulyatsiyasi uchun litilangan Gr–Si NPlarining sxematik xulosasi. ( , ) Nuqsonli bo'lmagan zarra (  va   dagi qizil chiziq bilan doiralangan) va ( ) nuqsonli zarra (  va   dagi ko'k chiziq bilan doiralangan) uchun yaqin masofadagi TEM tasvirlari. Ikkala holatda ham EELS spektrlari Si litilashni tasdiqlaydi. Ikkala holatdagi qizil qutilardan olingan chiziqli profillar litilashni aks ettiruvchi taxminan 3,8 Å ga oshgan qatlamlar orasidagi masofani ko'rsatadi. a b c d e a b e a b Litilash paytida mahalliy EELS tahlili 55 eV yaqinidagi xira Li  -chegarasi hamda 100 eV dagi Si  -chegarasi orqali ikkala holatda ham Si litilashini tasdiqlaydi ( ; ref.  ). 3-rasm   dagi grafen yuzasida ko'rsatilgan qatlam Li/Li2O qoldig'iga to'g'ri keladi. Asosan, grafen qatlamlari kimyoviy jihatdan bog'langan ildizlari orqali Si bilan integratsiyani saqlaydi va shu bilan birga, siljish jarayoni Si hajmining kengayishini moslashtirish uchun kam qavatli grafen qoplamasiga imkon beradi. Almashtirilgan   TEM tajribasida, Gr–Si LIB elektrodida, birinchi litilashdan so'ng o'rtacha grafen qatlamlari soni 9,4 dan 5,6 qatlamga kamaydi ( ), bu yana qatlamlar orasidagi siljish jarayonini tasdiqlaydi. K L 3-rasm d,e 36 d in situ Qo'shimcha rasmi 6 Grafen enkapsulyatsiyasi va qatlamlar orasidagi siljish jarayoni Si zarralarining yaxlitligini hajmiy kengayish paytida saqlashga yordam beradigan siqish kuchini hosil qiladi. Biroq, bu siqish mexanizmi Li diffuziyasiga ta'sir qilmaydi, chunki elektrokimyoviy o'lchovlarda yaxshi o'ziga xos sig'imlar olingan. Shuni ham ta'kidlash kerakki, zarralarning hajmiy kengayishi, hatto ikkinchi elektrod bilan aloqa nuqtasi juda lokal bo'lsa ham, radial yo'nalishlarda bir xil bo'lgan. Bu grafen qatlamlarining Si yadrosiga bir xil Li ion diffuziyasiga moyilligini ta'kidlaydi (3-rasm   dagi qizil va to'q sariq nuqtali chiziqlarga qarang).   tahlili shuningdek, Li diffuziyasi grafen qatlamlari orqali juda tez ekanligini ko'rsatadi, bu oldingi tadqiqotlarga mos keladi , . Shuningdek, kuzatilgan siqish effekti asosan sirt tabiiy oksidi qatlamlaridan emas, balki grafen qoplama qatlamlaridan kelib chiqqanligi qayd etilgan, chunki sirt oksidi qatlamlari Li ion diffuziyasiga sezilarli ta'sir ko'rsatish uchun juda yupqa. Si bo'sh tuzilmalariga ega bo'lgan hollarda ,  yoki oksidi qatlamlari juda qalin bo'lgan hollarda  sirt oksidi qatlamlariga asoslangan siqish effekti kuzatilgan. a,b In situ 30 37 7 11 38 O'tkazuvchanlik va elektrokimyoviy o'lchovlar Grafen o'sishidan so'ng, faol material yig'indisining o'tkazgichligi sezilarli darajada oshadi. Chang holida pelletlanganda, asl Si past o'tkazgichlikka ega edi <10-7 S·sm−1, shu bilan birga, hatto 1 foiz grafen qo'shilishi o'tkazgichlikni sezilarli darajada 12,8 S·sm−1 ga oshirdi ( ). Ushbu yaxshilanish grafen qoplama qatlamlarining mukammal perkolatsiya xulq-atvori bilan bog'liq bo'lib, u yerda 2D grafen va uning yaxshi hizolangan qatlamli tuzilishi yaxshi ulangan o'tkazgich tarmog'ini hosil qiladi ( ), va bu oldingi grafen–polimer kompozitsiyalariga ham mos keladi . 5 foiz grafen miqdori uchun o'tkazgichlik 38,3 S·sm−1 ga ko'tarildi. 4-rasm a Qo'shimcha rasmi 7 39

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

Ushbu audio hikoyaning asl tilida yaratilgan!

Graphene inqilobi EV batareyalarini uzoqroq qilish va ko'proq energiya saqlashni mumkin qilishi 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