Utafiti huu unachunguza ubadilishaji wa viambato isokaboni vyenye silikoni katika slag laini ya ugeuzaji wa makaa ya mawe kuwa gesi, kuwa nyenzo ya anodi ya silikoni-kaboni kwa betri za lithiamu-ioni. Dioksidi ya silikoni ya umbo la tufe ilitayarishwa kutoka kwenye slag iliyochukuliwa katika kampuni ya makaa ya mawe huko Shaanxi; nyenzo hii ilibadilishwa kuwa silikoni ya fuwele kwa urejeshaji wa magnesiotermiki katika 700 °C na, baada ya kuoshwa kwa asidi kwa saa 24, ilipakwa kaboni iliyotokana na sukrosi katika 900 °C. Sampuli ya Si@C-2, yenye uwiano nominella wa masi ya silikoni/kaboni wa 2:1, ilionyesha muundo wa kiini-ganda na utendaji wa kikemiaumeme wenye uwiano bora zaidi kati ya kompoziti zilizochunguzwa; katika msongamano wa mkondo wa 2 A·g⁻¹, uwezo wa 269,66 mAh·g⁻¹, urejeshaji wa uwezo wa %86,5 baada ya kurudi kwenye mkondo mdogo na uhifadhi wa uwezo wa %82,1 baada ya mizunguko 100 viliripotiwa. Hata hivyo, utafiti haujapitia tathmini ya wataalamu; majaribio yalifanywa katika nusu-seli za maabara zenye elektrodi kinzani ya metali ya lithiamu na upakiaji wa dutu amilifu wa takriban 1 mg·cm⁻²; uthibitishaji wa seli kamili, upakiaji mkubwa, kiwango cha majaribio ya uzalishaji, gharama, mzunguko wa maisha na usalama wa muda mrefu haukuwasilishwa.

Msingi wa utafiti ni kushughulikia matatizo mawili tofauti kwa pamoja. Tatizo la kwanza ni kwamba slag laini ya ugeuzaji wa makaa ya mawe kuwa gesi ni taka ngumu ambayo kwa kiasi kikubwa huhifadhiwa, licha ya kuwa na viwango vya juu vya SiO₂, Al₂O₃ na Fe₂O₃. Tatizo la pili ni gharama ya uzalishaji wa silikoni, upitishaji wake mdogo wa umeme na mabadiliko ya ujazo yanayoweza kufikia takriban %300 wakati wa kuchaji na kutoa chaji; silikoni huvutia matumizi katika anodi za betri kutokana na uwezo wake mkubwa wa kinadharia. Watafiti walilenga kupunguza gharama ya malighafi kwa kutumia slag kama chanzo cha silikoni, na kupunguza upanuzi wa ujazo wa silikoni, tatizo la upitishaji na kutokuwa thabiti katika mizunguko kupitia muundo wenye vinyweleo na mipako ya kaboni.

Tathmini kwa mtazamo wa Uturuki: Utafiti una umuhimu wa kimbinu kwa tafiti za uchumi duara nchini Uturuki zinazolenga kutumia mabaki ya madini ya viwandani kama nyenzo za betri, adsorbenti au malighafi za kauri za hali ya juu. Ili kuoanisha mbinu hii na mazingira ya Uturuki, muundo wa kimineralojia, kiwango cha metali nzito, muundo wa chembe na uwezo wa kurejeshwa wa mabaki ya ndani ya ugeuzaji wa makaa ya mawe kuwa gesi au mabaki mengine ya viwandani yenye silika nyingi vinapaswa kupimwa kila kimoja; mavuno, usafi na utendaji wa kikemiaumeme wa silikoni inayopatikana vinapaswa kuthibitishwa kwa protokali hiyo hiyo. Pia, matumizi ya asidi hidrofloriki, utakasaji wa maji taka, matumizi ya magnesiamu, mahitaji ya nishati, gharama halisi ya uzalishaji na mizania ya kimazingira vinapaswa kutathminiwa kulingana na hali za mitambo nchini Uturuki. Utafiti huu hauwezi kutumiwa kuhitimisha kuwa slag yoyote inayopatikana Uturuki itatoa matokeo yale yale, kuwa mchakato utakuwa na manufaa ya kiuchumi, kuwa unaweza kuhamishwa moja kwa moja kwenye uzalishaji wa betri wa ndani au kuwa utaleta faida za kimazingira katika kiwango cha viwandani.

Tatizo kuu la utafiti ni lipi?

Ili kuongeza uwezo wa kuhifadhi nishati wa betri za lithiamu-ioni, zinahitajika anodi zinazoweza kutoa uwezo mahususi mkubwa kuliko grafiti. Utafiti unaeleza kuwa uwezo mahususi wa kinadharia wa anodi za grafiti asilia na iliyorekebishwa unabaki chini ya 400 mAh·g⁻¹, huku uwezo wa kinadharia wa silikoni ukichukuliwa kuwa 4200 mAh·g⁻¹. Hata hivyo, silikoni inaweza kupata upanuzi wa ujazo wa takriban %300 wakati wa kuingizwa lithiamu kikamilifu. Upanuzi huu unaweza kusababisha kuvunjika kwa chembe, kupotea kwa mgusano wa umeme na kuundwa upya mfululizo kwa awamu ya mpakani ya elektroliti imara.

Watafiti waliunganisha tatizo hili la nyenzo na matumizi ya slag laini ya ugeuzaji wa makaa ya mawe kuwa gesi. Imeelezwa kuwa jumla ya SiO₂, Al₂O₃ na Fe₂O₃ katika sehemu isokaboni ya slag iliyochunguzwa ni zaidi ya %60 kwa masi. Swali kuu la utafiti ni iwapo chanzo cha silikoni kilichotenganishwa na taka hii kinaweza kutakaswa na kubadilishwa kuwa silikoni inayofanya kazi kikemiaumeme, na iwapo kiasi kinachofaa cha mipako ya kaboni kinaweza kuboresha uthabiti wa kimuundo wa silikoni.

Utafiti unalenga pengo gani katika fasihi ya kisayansi?

Imeelezwa kuwa tafiti za awali zilitumia slag ya ugeuzaji wa makaa ya mawe kuwa gesi hasa kuzalisha SiO₂ yenye vinyweleo, silikati ya sodiamu au nyenzo ya adsorpsheni. Utafiti huu, badala ya kuacha SiO₂ ya umbo la tufe iliyopatikana kutoka kwenye slag kama bidhaa ya mwisho moja kwa moja, kwanza unairejesha kuwa silikoni ya kielementi na kisha kuibadilisha kuwa muundo wa anodi ya silikoni-kaboni wa kiini-ganda. Watafiti wanadai kuwa SiO₂ ya umbo la tufe imetumiwa kwa mara ya kwanza kwa lengo hili. Dai hili la kuwa la “kwanza” ni tathmini ya waandishi iliyowasilishwa ndani ya utafiti; halijathibitishwa katika makala hii kwa uchunguzi huru na wa kina wa kipaumbele cha uvumbuzi.

Ubadilishaji kutoka slag kwenda silikoni ulifanywaje?

Sehemu yenye wingi wa vitu isokaboni ya gramu 5 ya slag laini ya ugeuzaji wa makaa ya mawe kuwa gesi iliyopatikana kutoka Huating Coal Industry Group ilifanyiwa uondoaji wa uchafu wa metali, na SiO₂ ya umbo la tufe ikatayarishwa kwa mchakato wa sol-gel. Kiasi cha gramu 0,5 cha SiO₂ iliyotayarishwa kilichanganywa na gramu 1,5 za unga wa magnesiamu katika kinu cha agati ndani ya sanduku la glavu. Mchanganyiko ulifanyiwa matibabu ya joto katika tanuru la mrija kwa 700 °C kwa saa 1 ili kupata bidhaa ghafi ya silikoni.

Mmenyuko mkuu wa urejeshaji wa magnesiotermiki uliotolewa katika utafiti ni kama ifuatavyo:

\[ \mathrm{SiO_2(s) + 2Mg(g) \rightarrow Si(s) + 2MgO(s)} \]

Katika mmenyuko huu, SiO₂ inarejeshwa kuwa silikoni ya kielementi, huku magnesiamu ikiungana na oksijeni kuunda MgO. Kiasi kilichotumika cha SiO₂ na Mg kimetolewa kwa gramu, joto la mchakato kwa °C na muda kwa saa. Kwa kuwa mmenyuko hutoa joto, nyufa, kuvunjika na sinteringi ya mahali fulani vinaweza kutokea kwenye chembe.

Utafiti pia umeandika miitikio miwili inayowezekana ya pembeni kama ifuatavyo:

\[ \mathrm{Mg(g) + Si(s) \rightarrow Mg_2Si(s) + O_2} \]

\[ \mathrm{SiO_2(s) + 2MgO(s) \rightarrow Mg_2SiO_4(s)} \]

Mmenyuko nambari mbili umechapishwa katika matini kwa namna hii. Hata hivyo, ingawa hakuna chanzo cha oksijeni upande wa kushoto, upande wa kulia kuna O₂, na kutoka atomi moja ya Mg kunaundwa Mg₂Si. Kwa hiyo, mlinganyo kama ulivyoandikwa hautimizi mizania ya atomi. Badala ya kurekebisha utafiti kimyakimya, inapaswa kuelezwa kuwa fomula hii ina kosa la matini au la stoikiometria linalohitaji kupitiwa upya na waandishi. Mmenyuko wa tatu unaonyesha uundaji wa awamu ya pembeni ya silikati ya magnesiamu, Mg₂SiO₄.

Bidhaa ghafi ya urejeshaji ilikorogwa katika asidi hidrokloriki ya 1 mol·L⁻¹ kwa saa 24 ili kuondoa magnesiamu na oksidi za magnesiamu, na ikaoshwa kwa maji yaliyoondolewa ioni hadi kufikia pH isiyoegemea upande wowote. Ili kuondoa SiO₂ ambayo haikuitikia, sampuli kisha iliwekwa katika myeyusho wa %5 HF kwa dakika 45, ikaoshwa tena hadi pH isiyoegemea upande wowote na kukaushwa.

Kwa nini muda wa kuosha kwa asidi ni muhimu?

Utafiti ulilinganisha matibabu ya asidi hidrokloriki ya saa 2, 12 na 24. Matokeo ya difraksheni ya eksirei yanaonyesha kuwa baada ya matibabu ya saa 2 na 12, alama za difraksheni za awamu za pembeni kama MgO na Mg₂SiO₄ zilibaki; baada ya matibabu ya saa 24, vilele vya uchafu vilitoweka kwa kiasi kikubwa. Imeelezwa kuwa awamu za MgF₂ pia zinaweza kuundwa wakati wa matibabu ya HF kutokana na mmenyuko kati ya MgO iliyobaki na HF.

Vilele vilivyoonekana katika bidhaa zilizotakaswa kwenye nafasi za 2θ = 28,4°, 47,3°, 56,1°, 69,1°, 76,4° na 88,0° vilihusishwa na nyuso za fuwele za silikoni ya mfumo wa mchemraba za (111), (220), (311), (400), (331) na (422), mtawalia. Matokeo haya yanaunga mkono ubadilishaji wa SiO₂ iliyotenganishwa na slag kuwa silikoni ya fuwele.

Picha za SEM zinaonyesha kuwa sehemu ya silikoni iliyorejeshwa ilihifadhi umbo lake la awali la tufe, huku sehemu nyingine ikivunjika kuwa vipande vidogo zaidi. Matini inaeleza ukubwa wa chembe kuwa takriban 300 nm, ilhali picha iliyokuzwa katika Kielelezo 1 ina alama ya 378 nm kwa chembe moja ya mfano. Picha hii ni kipimo cha chembe moja au cha uwakilishi; utafiti hautoi mgawanyo wa kina wa ukubwa wa chembe.

Mstari wa adsorpsheni-desorpsheni ya nitrojeni ulitafsiriwa kama isothermu ya aina IV na kuhusishwa na muundo wenye mesopores. Kwa silikoni iliyotakaswa, eneo mahususi la uso limetolewa kuwa 53,97 m²·g⁻¹ na ujazo wa vinyweleo kuwa 0,089 cm³·g⁻¹. Grafu ya mgawanyo wa vinyweleo inaonyesha ukubwa unaotawala wa kinyweleo wa takriban 4,84 nm. Watafiti wanatathmini kuwa vinyweleo hivi vinaweza kurahisisha mgusano wa elektroliti na usafirishaji wa Li⁺, pamoja na kutoa ujazo wazi kwa ajili ya upanuzi wa silikoni.

Utendaji wa kikemiaumeme wa silikoni iliyotakaswa ukoje?

Uwezo mahususi wa mzunguko wa kwanza wa sampuli ya silikoni iliyooshwa kwa saa 24 uliripotiwa kuwa 1891,2 mAh·g⁻¹, na ufanisi wa awali wa Coulomb kuwa %90,2. Katika misongamano ya mkondo ya 0,1, 0,2, 0,5, 1 na 2 A·g⁻¹, uwezo mahususi ulipimwa kuwa 1647,82, 1414,9, 1061,32, 812,26 na 482,72 mAh·g⁻¹, mtawalia. Msongamano wa mkondo ulipopunguzwa tena hadi 0,1 A·g⁻¹, uwezo ulirudi kwenye thamani ya 1418,2 mAh·g⁻¹.

Sampuli ya saa 24 ilihifadhi %29,3 ya uwezo wake wa awali katika 2 A·g⁻¹ na, iliporudishwa kwenye 0,1 A·g⁻¹, ilihifadhi %86,1. Watafiti wanaeleza utendaji huu kwa kuondolewa kwa awamu za pembeni zenye msongamano mkubwa kama MgO na Mg₂SiO₄. Hata hivyo, kiasi cha uchafu hakikutolewa kwa uchanganuzi wa kikemia wa kiasi; tafsiri ilitegemea hasa kupungua kwa vilele vya XRD na mikondo ya kikemiaumeme.

Mipako ya kaboni iliundwaje?

Gramu 0,5 za silikoni safi zilichanganywa na myeyusho wa sukrosi wa ujazo wa 20 mL na mkusanyiko wa 0,085 mol·L⁻¹. Mchanganyiko ulikorogwa kwa kichocheo cha sumaku katika bafu la maji hadi ukakauka kabisa, na kitangulizi kilichopatikana kikakarbonishwa katika angahewa ya argoni kwa 900 °C kwa saa 1. Sukrosi ilichaguliwa kama chanzo cha kaboni kinachoweza kuingiliana na uso wa silikoni kupitia vikundi vya hidroksili na kuunda tabaka la kaboni ngumu amofasi baada ya matibabu ya joto.

Uwiano nominella wa masi ya Si/C wa aina nne ulitayarishwa:

Uwiano huu ni uwiano nominella wa masi uliotumiwa mwanzoni. Asilimia halisi ya kaboni iliyobaki kwenye kompoziti baada ya karbonishaji haikuripotiwa kwa uchanganuzi wa thermogravimetria au mbinu nyingine ya kiasi. Kwa hiyo, thamani ya “2:1” haipaswi kuchukuliwa kuwa muundo halisi wa kielementi wa bidhaa ya mwisho.

Muundo wa kiini-ganda ulithibitishwa kwa picha zipi?

Picha za TEM na HRTEM za sampuli ya Si@C-2 zinaonyesha kuwa chembe za silikoni zimezungukwa na tabaka la kaboni iliyotokana na sukrosi. Nafasi ya kimiani ya fuwele ilipimwa kuwa 0,31 nm na kuhusishwa na uso wa (111) wa silikoni. Katika mchoro wa difraksheni ya elektroni wa eneo lililochaguliwa, pete za (111) na (220) za silikoni zilitambuliwa.

Ramani za elementi za HAADF na EDX zinaonyesha kuwa ishara ya silikoni imejikusanya katika eneo la kiini, huku kaboni ikienea kuzunguka kiini. Ramani ya oksijeni pia ina ishara ya oksijeni ya kiwango cha chini. Watafiti wanaeleza hili kwa tabaka jembamba la asili la SiO₂ linaloundwa wakati wa mgusano mfupi na hewa. Picha zinaunga mkono usanifu wa kiini-ganda kwa tathmini ya sifa; hata hivyo, mgawanyo wa kitakwimu wa unene wa ganda la kaboni kwa idadi kubwa ya chembe haukutolewa.

Uchanganuzi wa FTIR, XRD, Raman na XPS unaonyesha nini?

Katika spektramu ya FTIR, bendi ya takriban 1078 cm⁻¹ ilihusishwa na mtetemo wa kuvutika usio na ulinganifu wa Si–O–Si na tabaka jembamba la oksidi ya uso. Ishara pana katika eneo la 1560–1700 cm⁻¹ ilitafsiriwa kama kuingiliana kwa mitetemo ya C=C katika maeneo ya kaboni ya sp² na kasoro za kabonili za pembezoni. Bendi dhaifu karibu na 2915 cm⁻¹ ilihusishwa na minyororo ya alkili iliyobaki baada ya uondoaji wa maji na karbonishaji wa sukrosi.

Katika michoro ya XRD, vilele vya silikoni ya fuwele vinahifadhiwa, huku ishara dhaifu na pana ikionekana katika eneo la 2θ = 20–26°, ikihusishwa na uso wa (002) wa kaboni amofasi. Nguvu kubwa ya vilele vya silikoni inafunika kwa kiasi ishara ya kaboni. Matokeo haya yanaunga mkono kutokuwepo kwa mpangilio wa kigrafiti wa masafa marefu katika mipako.

Katika spektra za Raman, bendi ya D kwenye takriban 1350 cm⁻¹ inawakilisha kaboni yenye kasoro au isiyo na mpangilio, na bendi ya G kwenye takriban 1580 cm⁻¹ inawakilisha maeneo ya kigrafiti yenye mseto wa sp². Uwiano wa nguvu za bendi za D na G kwa Si@C-0.5, Si@C-1, Si@C-2 na Si@C-3 ni takriban 1,59, 1,57, 1,51 na 1,61, mtawalia. Kuwa kwa thamani zote katika eneo la 1,5–1,6 kunaonyesha kuwa kaboni iliyotokana na sukrosi ina muundo amofasi wenye msongamano mkubwa wa kasoro.

Katika uchanganuzi wa XPS, ishara ya C 1s iligawanywa kuwa viambato vya C–C katika 284,8 eV, C–O katika 286,1 eV na C=O katika 288,5 eV. Ishara ya Si 2p ililinganishwa na viambato vya Si katika 99,4 eV, Si–C katika 100,0 eV na Si–O katika 103,7 eV. Katika uchanganuzi wa O 1s, matini inatambua ishara ya 533,2 eV kuwa C–O na ishara ya 531,2 eV kuwa C–O iliyobaki baada ya sinteringi ya sukrosi. Hata hivyo, katika grafu ya ziada ya XPS, kiambato cha 531,2 eV kimewekewa lebo ya “Si–O”. Bila kutatua tofauti hii kati ya matini na kielelezo, utambulisho halisi wa kikemia wa kilele cha 531,2 eV hauwezi kuamuliwa.

Matokeo makuu ya kikemiaumeme ya kompoziti za Si@C ni yapi?

Elektrodi ya Si@C-2 ilitambuliwa kuwa sampuli yenye uwiano bora zaidi kwa uhifadhi wa uwezo katika kiwango kikubwa cha mkondo na urejeshaji wa uwezo baada ya kurudi kwenye mkondo mdogo. Katika msongamano wa mkondo wa 2 A·g⁻¹, ilitoa uwezo wa 269,66 mAh·g⁻¹ na, ikilinganishwa na uwezo wake katika 0,1 A·g⁻¹, ilihifadhi %31,15. Mkondo ulipopunguzwa tena hadi 0,1 A·g⁻¹, uhifadhi wa uwezo ulifikia %86,5.

Ingawa Si@C-1 ilitoa uwezo mkubwa zaidi wa kwanza wa kutoa chaji, Si@C-2 ilitoa ufanisi wa awali wa Coulomb ulio juu zaidi na uhifadhi bora wa uwezo katika mizunguko 100. Ulinganisho huu unaonyesha kuwa uwezo mkubwa zaidi wa awali pekee haumaanishi elektrodi bora zaidi; unahitajika uwiano kati ya mwendelezo wa mipako ya kaboni, usafirishaji wa ioni na uwezo wa mchakato kugeuzwa.

Katika grafu ya EIS, Si@C-2 inaonyesha kipenyo kidogo zaidi cha nusu-duara, jambo linalohusishwa na ukinzani mdogo zaidi wa uhamishaji wa chaji. Si@C-0.5 ina nusu-duara kubwa zaidi. Watafiti wanahusisha hili na kupungua kwa njia wazi za ioni kutokana na tabaka la kaboni lililo nene na lenye msongamano mkubwa kupita kiasi. Hata hivyo, kwa kuwa modeli ya saketi sawia, thamani za namba za R_ct na makosa ya ulinganifu hazikutolewa, matokeo ya EIS si ya kiasi, bali yanategemea ulinganisho wa uwiano kati ya mikondo.

Usafirishaji wa ioni za lithiamu na utaratibu wa uhifadhi umeelezwaje?

Mbinu ya titresheni ya galvanostatiki ya vipindi (GITT) inategemea kutoa mpigo mfupi wa mkondo kwenye elektrodi na kisha kuiacha katika saketi wazi hadi volti ifikie hali ya karibu na usawa. Katika utafiti, mpigo wa mkondo wa 0,2 A·g⁻¹ ulitumika; imeelezwa kuwa mabadiliko ya muda mfupi ya volti ΔE_τ na mabadiliko ya volti tulivu ΔE_s katika kila hatua yalitumika kukokotoa mgawo wa difusheni ya Li⁺. Hata hivyo, mlinganyo wa kukokotoa, muda wa mpigo, muda wa kupumzisha na jiometri ya elektrodi iliyotumiwa havikutolewa wazi.

Matini inaeleza kuwa kwa Si@C-2, mgawo wa difusheni ya Li⁺ wakati wa kuchaji ni takriban katika eneo la 10^−11,5–10⁻¹² cm²·s⁻¹, na wakati wa kutoa chaji ni katika eneo la 10⁻¹¹–10^−11,5 cm²·s⁻¹. Hata hivyo, katika sehemu za kuanzia za grafu za GITT, kuna thamani za muda mfupi za kilogarithimu zilizo juu zaidi. Kwa hiyo, maeneo yaliyotolewa katika matini yanapaswa kusomwa kama thamani za kawaida katika sehemu fulani ya mchakato, badala ya viwango halisi vya chini kabisa na juu kabisa vya mzunguko mzima.

Inapendekezwa kuwa kadiri uingizaji wa lithiamu unavyoendelea, uundaji wa aloi za Li_xSi na upanuzi wa silikoni huongeza ukinzani wa difusheni, hivyo thamani ya D_Li+ hupungua. Mtandao wa kaboni na muundo wenye vinyweleo huchangia usafirishaji wa haraka zaidi wa ioni mwanzoni.

Katika uchanganuzi wa voltametria ya mzunguko, kilele kipana cha urejeshaji kinachoonekana kati ya 0,5–1,0 V katika uchanganuzi wa kwanza wa kikatodi na kutoweka katika mizunguko inayofuata kilihusishwa na uundaji wa awamu ya mpakani ya elektroliti imara. Ishara ya urejeshaji katika eneo la 0,1–0,5 V inawakilisha ubadilishaji wa silikoni ya fuwele kuwa awamu za Li_xSi; vilele vya uoksidishaji katika takriban 0,35 na 0,53 V vinawakilisha kuondolewa kwa lithiamu kutoka kwenye aloi ya Li_xSi.

Uhusiano kati ya mkondo wa kilele na kasi ya uchanganuzi ulichanganuliwa kwa mlinganyo ufuatao:

\[ i = a v^b \]

Hapa, i inawakilisha mkondo wa kilele, v kasi ya uchanganuzi, a thabiti ya uwiano inayotegemea vipimo vilivyotumiwa na mfumo wa kikemiaumeme, na b sifa ya utaratibu wa kinetiki. Thamani ya b inapokaribia 0,5 inaonyesha kutawala kwa tabia inayodhibitiwa na difusheni, na inapokaribia 1 inaonyesha kutawala kwa tabia inayodhibitiwa na uso au kapasitansi. Kupatikana kwa b = 0,63 kwa Si@C-2 kunaunga mkono utendaji wa pamoja wa taratibu hizo mbili.

Mchango wa pseudokapasitansi ulikokotolewa kuwa takriban %18,0 katika kasi ya uchanganuzi ya 0,2 mV·s⁻¹; %21,0 katika 0,4 mV·s⁻¹; %24,7 katika 0,6 mV·s⁻¹; %28,3 katika 0,8 mV·s⁻¹ na %32,9 katika 1,0 mV·s⁻¹. Kasi ya uchanganuzi inapoongezeka, mchango wa miitikio ya haraka karibu na uso katika uwezo wa jumla huongezeka, huku sehemu ya uwiano inayodhibitiwa na difusheni ikipungua.

Utafiti unaunga mkono hitimisho zipi?

• SiO₂ iliyotenganishwa na slag laini iliyochunguzwa ya ugeuzaji wa makaa ya mawe kuwa gesi kutoka Shaanxi iliweza kubadilishwa kuwa silikoni ya fuwele katika hali za maabara zilizotajwa.
• Matibabu ya asidi hidrokloriki ya saa 24 yaliacha awamu chache zaidi za pembeni zenye Mg katika XRD kuliko matibabu ya saa 2 na 12.
• Kaboni iliyotokana na sukrosi iliunda mipako amofasi yenye kasoro kuzunguka chembe za silikoni.
• Uwiano nominella wa Si:C = 2:1 ulitoa mofolojia yenye uwiano bora zaidi kati ya tabaka la kaboni lililo nene kupita kiasi na ufunikaji usiotosha.
• Kati ya kompoziti nne zilizochunguzwa, Si@C-2 ilitoa matokeo yenye uwiano bora zaidi kwa ufanisi wa awali wa Coulomb, utendaji katika viwango mbalimbali vya mkondo, kurudi kwenye mkondo mdogo na uhifadhi wa uwezo katika mizunguko 100.
• Tabia ya kuhifadhi nishati katika Si@C-2 haitegemei difusheni pekee, bali pia mchango wa pseudokapasitansi unaoongezeka kadiri kasi ya uchanganuzi inavyoongezeka.

Utafiti hauthibitishi nini?

• Matokeo hayaonyeshi utendaji wa seli kamili ya kibiashara ya lithiamu-ioni; nusu-seli za CR2032 zenye metali ya lithiamu kama elektrodi kinzani ndizo zilizojaribiwa.
• Matokeo yaliyopatikana katika upakiaji wa takriban 1 mg·cm⁻² hayathibitishi kuwa utendaji ule ule utahifadhiwa katika upakiaji mkubwa zaidi wa elektrodi.
• Kipimo cha mizunguko 100 si ushahidi wa muda mrefu wa matumizi ya kibiashara au usalama.
• Utafiti haukufanya majaribio ya ongezeko la joto lisilodhibitika, uharibifu wa kimitambo, uundaji wa gesi au majaribio mengine ya usalama.
• Sampuli ya slag kutoka kwenye kampuni moja haionyeshi kuwa mabaki yote ya ugeuzaji wa makaa ya mawe kuwa gesi kutoka vyanzo mbalimbali yanafaa.
• Ubadilishaji uliofanikiwa katika kiwango cha maabara hauthibitishi ubora wa kiuchumi na kimazingira wa mchakato katika kiwango cha majaribio ya uzalishaji au cha viwandani.
• Athari ya jumla ya kimazingira ya asidi hidrofloriki, asidi hidrokloriki, magnesiamu na michakato ya tanuru yenye joto la juu haikutathminiwa.
• Ingawa uwezekano wa “kuokoa gharama” unapendekezwa, mavuno ya nyenzo, matumizi ya nishati, urejeshaji wa kemikali, utakasaji wa maji taka na gharama ya kila kitengo cha bidhaa havikukokotolewa.

Nguvu na mipaka ya utafiti ni ipi?

Nguvu ya utafiti ni kuunda mtiririko jumuishi wa majaribio, kutoka kutenganisha kitangulizi cha taka hadi silikoni ya fuwele, na kutoka mipako ya kaboni hadi utengenezaji wa elektrodi na uchanganuzi mbalimbali wa kikemiaumeme. Kutumia kwa pamoja matokeo ya SEM, TEM, HRTEM, EDX, XRD, FTIR, Raman, XPS, adsorpsheni ya nitrojeni, majaribio ya viwango vya mkondo, majaribio ya mizunguko, EIS, GITT na CV kunawezesha kuunganisha mofolojia, muundo wa kikemia na tabia ya kikemiaumeme.

Mipaka mikuu ni kutotolewa kwa idadi ya marudio, mikengeuko sanifu na pau za makosa; kutokuwepo kwa uchanganuzi wa umuhimu wa kitakwimu; kutopimwa kwa uwiano halisi wa kaboni; kutofafanuliwa kwa mavuno ya urejeshaji na utakaso; kutokamilika kwa maelezo ya hesabu za GITT na EIS; kutopigwa picha kwa kuvunjika kwa chembe na muundo wa SEI baada ya mizunguko; kuchunguzwa kwa chanzo kimoja tu cha slag na majaribio kuishia kwenye nusu-seli za maabara. Pia, kutolingana ndani ya matini, kama fomula 2, utambulisho wa kilele cha O 1s, alama za waandishi wa mawasiliano na taarifa za taasisi, kunaonyesha kuwa preprint inahitaji marekebisho ya kisayansi na ya uhariri.

Umuhimu kwa mtazamo wa zamani, sasa na baadaye

Zamani, silika katika slag ya ugeuzaji wa makaa ya mawe kuwa gesi ilibadilishwa hasa kuwa bidhaa za madini zenye thamani iliyoongezwa ya kiwango cha chini au cha kati; utafiti huu unatoa mbinu ya kugeuza chanzo hicho hicho kuwa nyenzo ya kuhifadhi nishati kikemiaumeme. Mchango wake wa sasa ni kuonyesha kwa majaribio uhusiano kati ya urejeshaji wa SiO₂ inayotokana na slag, uundaji wa silikoni yenye mesopores na urekebishaji wa uwiano wa mipako ya kaboni.

Tafiti za baadaye zinapaswa kujumuisha vyanzo mbalimbali vya slag, upakiaji mkubwa zaidi wa dutu amilifu, seli kamili zenye kathodi za kibiashara, mizunguko mirefu zaidi na hali halisi za uzalishaji. Ili kubaini uwezekano wa kutekeleza mchakato, kunahitajika mizania ya masi, mavuno ya urejeshaji wa silikoni, urejelezaji wa magnesiamu na asidi, matumizi ya nishati, usimamizi wa maji taka, tathmini ya mzunguko wa maisha na uchanganuzi wa kiteknolojia na kiuchumi. Bila uthibitishaji huo, mbinu haiwezi kuchukuliwa kuwa mchakato ulio tayari kwa uzalishaji wa kibiashara wa betri.

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

Malighafi na protokali ya usanisi

Uainishaji wa sifa za nyenzo

• Mofolojia: hadubini ya elektroni ya kuchanganua ya mezani ya Phenom Pro.
• Upigaji picha wenye mwonekano wa juu: JEOL JEM-2100F HRTEM.
• Raman: Renishaw InVia Reflex, urefu wa wimbi la uchochezi wa 532 nm.
• XRD: Bruker D8 Advance, mionzi ya Cu Kα, kasi ya uchanganuzi ya 5°·dakika⁻¹.
• XPS: Thermo Scientific K-Alpha.
• Adsorpsheni ya nitrojeni: Micromeritics ASAP 2460; eneo la uso la BET na mgawanyo wa vinyweleo wa BJH.
• Modeli ya kifaa cha FTIR haijatajwa katika utafiti.

Utayarishaji wa elektrodi na uundaji wa seli

Dutu amilifu, kiongezi cha kupitisha umeme cha Super-P/Ketjen black na kiunganishi cha kaboksimetili selulosi ya sodiamu vilichanganywa kwa uwiano wa masi wa 7:2:1. Mchanganyiko ulisagwa katika kinu cha mipira cha sayari, ukafanywa tope kwa maji yaliyoondolewa ioni na kusawazishwa kwa mawimbi ya sauti ya masafa ya juu. Tope lilipakwa kwenye foili ya shaba kwa kisu cha kusawazisha mipako; upakiaji wa dutu amilifu ulipangwa kuwa takriban 1 mg·cm⁻². Elektrodi zilikaushwa katika 60 °C chini ya ombwe kwa saa 12.

Seli za sarafu za CR2032 ziliundwa katika sanduku la glavu lililojaa argoni, ambamo viwango vya H₂O na O₂ vilidumishwa chini ya 0,1 ppm. Elektrodi iliyotayarishwa ilitumiwa kama elektrodi ya kazi, metali ya lithiamu kama elektrodi kinzani, Celgard 2500 kama kitenganishi na 1 M LiPF₆ katika EC/DMC/EMC yenye uwiano wa ujazo wa 1:1:1 kama elektroliti. Baada ya seli kufungwa kwa kubanwa, ziliachwa katika joto la kawaida kwa saa 10 ili elektroliti ipenye na volti ya saketi wazi itulie.

Hali za vipimo vya kikemiaumeme

Matokeo makuu ya kimuundo na ya kikemiaumeme

Uwezo wa kurudiwa na mapungufu ya kimbinu

Utafiti haujataja idadi ya seli huru, marudio ya majaribio, thamani za wastani, mikengeuko sanifu au majaribio ya kitakwimu. Kipenyo cha elektrodi, unene wa mipako, kiasi cha elektroliti kwa kila kitengo cha nyenzo amilifu, muda wa mpigo na kupumzisha katika GITT, eneo la masafa la EIS na vigezo vya saketi sawia havipo. Mavuno ya uzalishaji wa SiO₂ na silikoni kutoka kwenye slag, uwiano wa mwisho wa kaboni, msongamano wa elektrodi na mabadiliko ya kimofolojia baada ya mizunguko pia hayakuripotiwa. Mapungufu haya yanazuia kurudiwa kikamilifu kwa mbinu katika maabara nyingine na kuhamishwa kwake kwenye kiwango cha viwandani.

Maelezo ya Chanzo na Mbinu

Jina kamili la asili la utafiti: From Industrial Waste to Energy Storage: Si@C Core-Shell Anodes Derived from Coal Gasification Fine Slag for Lithium-Ion Batteries

Waandishi na mpangilio wao: Chunxia Hua, Rongzheng Li, Yifan Zhao, Yuying Tong, Jinhang Li, Xiaoqin Wang, Shasha Tang, Shanxin Xiong.

Mwandishi wa kwanza wa pamoja: Matini haina taarifa kuhusu mchango sawa au uandishi wa kwanza wa pamoja.

Mwandishi wa mawasiliano: Katika sehemu ya kina ya “Corresponding Authors”, Shanxin Xiong pekee ametajwa na anwani ya barua pepe xiongsx@xust.edu.cn imetolewa. Ingawa katika ukurasa wa kichwa kuna nyota pia karibu na jina la Jinhang Li, nyota hiyo haijaelezwa na Jinhang Li hajaorodheshwa katika sehemu ya mwandishi wa mawasiliano. Kwa hiyo, hali ya Jinhang Li kama mwandishi wa mawasiliano haikuweza kuthibitishwa kwa uhakika kupitia matini.

Taasisi: Kwa Chunxia Hua, Rongzheng Li, Yifan Zhao, Yuying Tong, Jinhang Li, Xiaoqin Wang na Shanxin Xiong, imetajwa College of Chemistry and Chemical Engineering, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054, P. R. China; kwa Shasha Tang, imetajwa Shandong Institute of Nonmetallic Materials, Jinan 250031, P. R. China. Kuna tofauti kati ya kuonyeshwa kwa taasisi moja tu katika ukurasa wa kichwa na taarifa za kina za waandishi.

DOI: 10.2139/ssrn.7196252. DOI hii ni ya rekodi ya preprint ya SSRN; si DOI ya makala ya jarida iliyopitia tathmini ya wataalamu.

Jarida au mkutano: Hakuna chapisho lililothibitishwa katika jarida linalopitiwa na wataalamu au mkutano.

Jukwaa la uchapishaji: SSRN.

Mchapishaji wa asili: Utafiti hauna mchapishaji wa asili aliyethibitishwa. SSRN ni jukwaa la preprint na halipaswi kuchukuliwa kuwa mchapishaji. Jukwaa linafanya kazi katika miundombinu ya Elsevier Inc.

Mwaka wa uchapishaji: Mwaka wa rekodi ya SSRN ni 2026. PDF haitoi kando tarehe kamili ya kuandikwa, kukubaliwa au kuchapishwa baada ya tathmini ya wataalamu.

Aina ya chanzo: Preprint ya utafiti wa majaribio katika sayansi ya nyenzo na kemiaumeme.

Hali ya tathmini ya wataalamu: Utafiti huu ni preprint na haujapitia tathmini ya wataalamu. Kila ukurasa wa matini una onyo la “This preprint research paper has not been peer reviewed”.

Viungo rasmi vya chanzo:Ukurasa rasmi wa rekodi ya SSRN na Kiungo cha DOI.

Hali ya taarifa za ziada: Katika matini, kiungo cha taarifa za ziada kimeachwa kama kishikilia nafasi kisichokamilika cha “https://pubs. XXX”. Kiungo hiki si chanzo rasmi kinachoweza kutumika cha data za ziada.

Makala hii ya Kituruki ilitayarishwa kwa kuchunguza matini, mbinu ya majaribio, fomula, vielelezo, grafu na spektra za utafiti wa kurasa 41 uliopakiwa. Hakuna matokeo mapya ya majaribio yasiyokuwamo kwenye utafiti wala ugunduzi wa kisayansi kutoka chanzo cha nje ulioongezwa. Uthibitishaji wa nje ulitumika tu kwa taarifa za kibibliografia kama DOI, rekodi ya SSRN, jukwaa na hali ya uchapishaji.

Mipaka mikuu ya utafiti ni kutopitia tathmini ya wataalamu, kutumia chanzo kimoja cha slag, kutotoa taarifa za marudio na takwimu, majaribio kuishia kwenye nusu-seli za metali ya lithiamu zenye upakiaji mdogo, kufanya mizunguko 100 pekee, kutokuwepo kwa uthibitishaji wa seli kamili na kiwango cha majaribio ya uzalishaji, kutopimwa kwa kiasi halisi cha kaboni na mavuno ya bidhaa, na kutowasilishwa kwa uchanganuzi wa kimazingira au wa kiteknolojia na kiuchumi. Kutolingana katika fomula 2, utambulisho wa kilele cha O 1s, alama za waandishi wa mawasiliano, taarifa za taasisi na kiungo cha taarifa za ziada pia ni miongoni mwa mambo yanayohitaji kurekebishwa kabla ya uchapishaji wa mwisho.

Utafiti huu ni preprint ambayo haijapitia tathmini ya wataalamu; matokeo yake yanapaswa kusomwa kwa kuzingatia mpaka huu. Matokeo yanahusu usanisi wa nyenzo katika kiwango cha maabara na majaribio ya nusu-seli za CR2032. Utafiti hautoi ushahidi wa mafanikio katika kiwango cha viwandani, faida ya gharama za kibiashara, usalama wa muda mrefu au utendaji katika vifurushi halisi vya betri.