Kiunzi cha kaboni chenye mpangilio na kilichodopiwa kwa nitrojeni (ONCF) ni nyenzo ya kathodi ya betri ya lithiamu–sulfuri inayounganisha muundo wa kaboni wenye vinyweleo unaobeba sulfuri, nanotubu za kaboni zilizokuzwa juu yake na nyuso zenye nitrojeni/kobalti. Katika muundo uliotengenezwa na Manh Cuong Nguyen na wenzake, vinyweleo vikubwa vilivyounganishwa vinalenga kusaidia ufikiaji wa elektroliti; gamba la nanotubu kusaidia miunganisho ya upitishaji wa elektroni; na vinyweleo vidogo zaidi pamoja na nyuso za polar kusaidia ushikiliaji na ubadilishaji wa spishi za sulfuri. Kathodi ya S@ONCF iliyopakiwa sulfuri ilitoa uwezo wa 746.9 mAh g⁻¹ mwishoni mwa mizunguko 750 katika seli za kitufe, kwa mkondo wa 2.0 A g⁻¹ unaohusishwa na uzito wa sulfuri. Katika seli ya mfuko yenye upakiaji wa sulfuri wa takriban 4.0 mg cm⁻², 545.4 mAh g⁻¹ ilipatikana mwishoni mwa mizunguko 300 kwa mkondo wa 0.2 A g⁻¹. Thamani hizi zinaonyesha uimara wa kathodi katika hali za majaribio zilizotajwa; si msongamano wa nishati kwa uzito wote wa seli.

Mchango mkuu wa utafiti ni kuunganisha mpangilio wa vinyweleo, miunganisho ya nanotubu na kemia ya uso katika muundo mmoja wa kubeba sulfuri. Muundo wenye mpangilio ulionyesha miitikio yenye nguvu zaidi ya oksidesheni–redaksheni ya polisulfidi na uhifadhi bora wa uwezo kuliko sampuli ya kulinganisha isiyo na mpangilio. Uchunguzi baada ya mizunguko unaunga mkono kwamba muundo wenye vinyweleo ulihifadhiwa katika maeneo yaliyochunguzwa na kwamba tabaka la kiolesura lenye floridi ya lithiamu liliundwa kwenye uso wa kathodi. Hata hivyo, sampuli zilizolinganishwa zinatofautiana katika sifa kadhaa za kimuundo na kikemia; mchango wa kila sehemu haukutenganishwa kwa kiasi kupitia jaribio tofauti la udhibiti.

Kwa nini tatizo la kathodi ya sulfuri si upitishaji pekee?

Katika betri za lithiamu–sulfuri (Li–S), uhifadhi wa nishati hutegemea spishi zenye sulfuri kubadilishana wakati wa kuchaji na kutoa chaji. Sulfuri ya elementi ya mwanzo na bidhaa ya mwisho ya utoaji chaji, sulfidi ya lithiamu (Li₂S), hazipitishi elektroni vizuri. Kuwepo kwa sulfuri katika sehemu ya elektrodi hakumaanishi kwamba sehemu hiyo inaweza kutumika kielektriki. Ikiwa elektroni haziwezi kufikia nyenzo hai au elektroliti haiwezi kuingia vya kutosha kwenye vinyweleo, sehemu ya sulfuri haiwezi kuchangia uwezo unaopimwa wa seli.

Polisulfidi za lithiamu zinazoyeyuka na zinazoundwa wakati wa ubadilishaji huleta changamoto ya pili. Zinaweza kuondoka kwenye eneo la kathodi na kusafirishwa ndani ya elektroliti. Mchakato huu, unaojadiliwa katika chanzo kama athari ya kwenda na kurudi, unahusisha mzunguko usiotakiwa wa spishi hai za sulfuri na upotevu wa uwezo pamoja na miitikio ya pembeni. Haya huongezewa na mabadiliko ya ujazo wakati wa ubadilishaji kati ya sulfuri na Li₂S na uundaji upya wa mgusano wa elektrodi–elektroliti. Kwa mkondo mkubwa, muda unaotengwa kwa kila hatua hupungua, hivyo usafirishaji wa polepole wa ioni na miunganisho isiyotosha ya umeme huonekana zaidi.

Kwa hiyo, nyenzo inayofaa ya kubeba sulfuri inahitaji kufanya kazi kadhaa katika sehemu moja: kupeleka elektroni kwenye eneo la mwitikio, kuruhusu elektroliti kulifikia, kuzuia bidhaa za kati zinazoyeyuka zisiondoke kabisa na kudumisha mgusano katika kipindi chote cha ubadilishaji. Mbinu ya usanifu wa muundo katika utafiti inatokana na hitaji hili la kufanya kazi kwa pamoja. Eneo kubwa la uso pekee au uso wenye adsorpsheni yenye nguvu pekee hauwezi kueleza utendaji wa kathodi nzima ikiwa michakato mingine haitoshi.

Nyenzo za kaboni hutumika kwa lengo hili kwa sababu miundo ya vinyweleo vyake inaweza kurekebishwa na inaweza kuunda kiunzi kinachopitisha umeme. Vinyweleo vidogo sana vinaweza kuzuia spishi za sulfuri ndani yake; lakini vikizidi kiasi cha kuzuia ufikiaji, vinaweza kupunguza kasi ya kuingia kwa elektroliti na ubadilishaji. Vinyweleo vikubwa zaidi hurahisisha usafirishaji, lakini mwingiliano wa nyuso za kaboni zisizo za polar na polisulfidi zinazoyeyuka unaweza kubaki mdogo. Kudumisha miunganisho iliyoundwa mwanzoni kati ya chembe za unga au nanotubu zilizojikunja ovyo wakati wa usindikaji wa elektrodi na mabadiliko ya ujazo pia ni tatizo tofauti.

ONCF hufanya kazi gani katika betri ya lithiamu–sulfuri?

ONCF ni kiunzi cha kaboni chenye mpangilio na kilichodopiwa kwa nitrojeni kinachohifadhi sulfuri kwenye kathodi ya betri ya lithiamu–sulfuri na kuunganisha maeneo ya ubadilishaji wa sulfuri na njia za usafirishaji wa ioni na elektroni. Katika utafiti huu, ONCF huunganisha vinyweleo vikubwa vyenye mpangilio wa pande tatu, gamba la nanotubu zinazokua kwenye kiunzi na nyuso zenye nitrojeni/kobalti. Majaribio yanaonyesha kwamba muundo huu uliounganishwa unasaidia ubadilishaji wa polisulfidi na uimara wa mizunguko kuliko nyenzo ya kubeba sulfuri ya NCF isiyo na mpangilio; ONCF yenyewe si betri iliyokamilika.

Kifupi ONCF kinatokana na jina “ordered N-doped carbon framework” katika chanzo. Baada ya sulfuri kupakiwa, nyenzo huonyeshwa kama S@ONCF. NCF ni kaboni ya kulinganisha inayopatikana kutoka kemia ileile ya msingi ya kitangulizi bila kutumia kiolezo cha polistirini chenye mpangilio. S@NCF ni umbo lake lililopakiwa sulfuri. Kutofautisha majina haya ni muhimu: baadhi ya uchunguzi wa hadubini na uchanganuzi wa uso huhusu kiunzi ambacho hakijapakiwa sulfuri, huku matokeo ya betri yakihusu kathodi ya mchanganyiko yenye sulfuri.

Katika usanifu huu, mpangilio wa vinyweleo na kemia ya nyuso havifanyi kazi katika kipimo kimoja cha ukubwa. Nafasi kubwa husaidia elektroliti kuingia ndani ya kiunzi, huku nanotubu zikiunganisha matawi ya kaboni. Vinyweleo vidogo zaidi na nyuso za polar huathiri mazingira ya ndani ya mwitikio ambamo spishi za sulfuri zipo. Watafiti hutofautisha muunganiko huu na elektrodi ya unga ambayo nanotubu zimechanganywa kutoka nje tu: lengo ni kiunzi kinachopitisha umeme kuwa na mgusano endelevu pia na nyuso za ndani za vinyweleo.

Katika sampuli ya NCF pia, uundaji wa nanotubu wa maeneo fulani na wenye mapengo zaidi ulionekana. Kwa hiyo, kueleza tofauti kati ya S@ONCF na S@NCF kuwa “kathodi mbili, moja yenye nanotubu na nyingine bila” hubadilisha mpangilio wa jaribio. Ulinganisho halisi ni kati ya viunzi viwili ambavyo mwendelezo wa mipako ya nanotubu, mpangilio wa vinyweleo, uso unaofikika na mazingira ya nitrojeni/kobalti kwenye uso hubadilika kwa pamoja.

Utafiti unaunganisha ushahidi gani?

Mfuatano wa ushahidi huanzia uundaji wa nyenzo hadi tabia yake ndani ya seli. Kwanza, kitangulizi cha ZIF-67 chenye mpangilio hutayarishwa kwa kiolezo cha polistirini. Kisha athari ya joto la ukabonishaji kwenye mpangilio wa vinyweleo na ukuaji wa nanotubu huchunguzwa. Uchunguzi wa hadubini, adsorpsheni ya gesi, difraksheni na spektroskopia ya uso hueleza muundo wa kiunzi kilichopatikana kutoka pande tofauti. Majaribio ya seli linganifu zenye sulfuri hulinganisha mwingiliano wa kielektrokemia wa viunzi viwili na polisulfidi. Mwishowe, kathodi zilizopakiwa sulfuri hujaribiwa katika seli za kitufe na za mfuko.

Hatua hizi hazibadilishani. Picha ya hadubini ya elektroni haitoi thamani ya namba ya ukinzani wa umeme. Mkondo wenye nguvu zaidi katika seli linganifu hauamui peke yake msongamano wa nishati wa betri kamili. Kuwepo kwa vinyweleo vinavyoonekana baada ya mizunguko mingi pia hakuthibitishi kwamba hakuna uharibifu popote kwenye elektrodi. Uwezo wa utafiti kueleza unatokana na vipimo tofauti kuunga mkono muundo uleule uliounganishwa; mipaka ya taarifa ambazo kila kipimo hakiwezi kupata lazima pia ihifadhiwe.

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

1. Kutoka kiolezo cha polistirini hadi kiunzi cha kaboni chenye gamba la nanotubu

Chanzo kinaeleza kwamba kemikali zilitumika bila utakaso wa ziada. Mkusanyiko wa amonia yenye maji iliyotumika kutayarisha kitangulizi umetolewa katika kiwango cha %25.0–30; taarifa hii inakamilisha maelezo ya mazingira ya mwitikio ambayo hayawezi kufafanuliwa kwa ujazo wa suluhisho pekee.

Katika hatua ya kwanza ya usanisi, tufe za polistirini (PS) zilitayarishwa. 2.5 g za polyvinylpyrrolidone yenye wastani wa uzito wa molekuli wa 10000 ziliyeyushwa katika 200 mL za maji; mfumo uliwekwa katika angahewa ya nitrojeni, chini ya kondensa ya kurudisha mvuke na katika bafu la mafuta la 70 °C kwa dakika 15. Kisha 24 mL za styrene ziliongezwa na kuchanganya kukaendelea kwa dakika nyingine 15. Kama kianzishi, 0.2 g za potassium persulfate zilizoyeyushwa katika 40 mL za maji ziliongezwa tone kwa tone; mwitikio uliendelezwa katika 70 °C kwa saa 24. Chanzo kinaeleza kwamba bidhaa ilizungushwa kwa sentrifuji katika 3500 rpm kwa saa 16 na kukaushwa katika 60 °C usiku kucha. Muda wa sentrifuji umehifadhiwa hapa kama ulivyoandikwa katika chanzo.

Kwa kiolezo chenye mpangilio na kobalti, 7.32 g za Co(NO₃)₂·6H₂O ziliyeyushwa katika 30 mL za mchanganyiko wa methanol/ethylene glycol wa uwiano wa ujazo wa 9:1. 4 g za PS ziliongezwa kwenye suluhisho hili na kuchanganywa kwa saa 6, kisha utupu ukatumika kwa dakika 30 na kukausha kufanyika katika 60 °C usiku kucha. PS@Co(NO₃)₂ iliyopatikana ilitibiwa kwa mchanganyiko wenye 9.852 g za 2-methylimidazole, 15 mL za methanol na 15 mL za amonia yenye maji. Hatua ya utupu ya dakika thelathini ilifuatiwa na kuachwa kukomaa kwa saa 24, na PS@ZIF-67 ikapatikana.

Kiolezo cha polistirini kiliondolewa ndani ya dimethylformamide (DMF); bidhaa ilikaushwa katika 60 °C usiku kucha ili kutayarisha ZIF-67 yenye makrovinyweleo vilivyopangwa kwa pande tatu. Muda wa kuiacha katika DMF haukutolewa wazi katika chanzo. Kitangulizi cha kulinganisha kisicho na mpangilio, ZIF-67 ya wingi, kilitengenezwa kwa kemia ileile ya msingi bila kuongeza kiolezo cha PS. Hivyo njia ya uzalishaji iliyounda nafasi zenye mpangilio kabla ya ukabonishaji ilifuatwa.

Ukabonishaji ulifanywa katika angahewa yenye %5 H₂ na %95 Ar kwa moli. Joto lilipandishwa kutoka hali ya chumba hadi 435 °C kwa kasi ya 1 °C kwa dakika na kushikiliwa hapo kwa saa 1.5. Kisha 700 °C ilifikiwa kwa kasi ileile ya kupasha joto na kushikiliwa kwa saa 3.5. Bidhaa iliyopozwa iliwekwa katika 1 M H₂SO₄ kwa saa 12, ikaoshwa na kukaushwa. Mfululizo wa joto ulitayarishwa kwa kuchagua joto la mwisho la hatua ya pili kuwa 600, 700, 800 na 900 °C. ONCF na NCF zilizotumika katika ulinganisho mkuu wa kielektrokemia zinahusiana na hali ya 700 °C.

Katika upakiaji wa sulfuri, kiunzi na sulfuri vilichanganywa kwa uwiano wa uzito wa takriban 1:2. Mchanganyiko uliowekwa kwa takriban saa 24 katika chombo cha glasi kilichofungwa chenye kiasi kidogo cha carbon disulfide (CS₂) ulikaushwa katika kabati la kuvuta mvuke kwa saa 12, kisha kutibiwa ndani ya autoclave katika 155 °C kwa saa 12 na kusagwa. Chanzo hakitoi ujazo halisi wa CS₂. Hatua hizi ni utayarishaji wa mchanganyiko unaolenga kuongeza mgusano wa sulfuri na kaboni yenye vinyweleo; kifunganishi cha elektrodi na kikusanya mkondo huongezwa katika utayarishaji wa baadaye wa seli.

2. Muundo ulichunguzwa kwa mbinu zipi?

Hadubini ya elektroni ya kuchanganua yenye utoaji wa elektroni kwa uga (FESEM; Hitachi S4700) ilitumika kuchunguza mofolojia ya uso wa vinyweleo na matawi ya kaboni. Hadubini ya elektroni inayopitisha elektroni (TEM; FEI Titan Cubed G2 60–300) ilitoa taarifa za ndani zaidi kuhusu nanotubu na chembe ndogo zenye kobalti nyingi. Hadubini ya elektroni inayopitisha na kuchanganua kwa uga mweusi wa pete katika pembe kubwa (HAADF-STEM), spektroskopia ya mionzi ya X yenye mtawanyiko wa nishati (EDS) na spektroskopia ya upotevu wa nishati ya elektroni (EELS) ziliunganisha miundo iliyoonyeshwa na usambazaji wa elementi.

Spektroskopia ya infrared yenye ubadilishaji wa Fourier (FTIR; Nicolet iS10) ilifuatilia mazingira ya vifungo vya kitangulizi na mabadiliko baada ya ukabonishaji. Difraksheni ya mionzi ya X (XRD; Rigaku Miniflex 600) ilitathmini uhifadhi au ubadilishaji wa kitangulizi cha fuwele na sifa za difraksheni za awamu zenye kaboni na kobalti. Adsorpsheni ya nitrojeni ilipimwa katika 77 K kwa kifaa cha Belsorp mini X kuchunguza eneo mahususi la uso na usambazaji wa vinyweleo. Spektroskopia ya fotoelektroni ya mionzi ya X (XPS; Thermo K-Alpha+) ilichunguza kemia ya uso; nishati za kufunga zilikalibishwa kwa rejeo la 284.8 eV kwa C 1s. Uchanganuzi wa termogravimetria (TGA; Q500) ulifanywa chini ya argoni kwa kasi ya kupasha joto ya 10 °C kwa dakika.

Vipimo vya kielektrokemia vilifanywa katika joto la chumba kwa mfumo wa ZIVE MP1, na majaribio ya kuchaji–kutoa chaji na mizunguko kwa mkondo thabiti yalifanywa kwa mfumo wa Neware 4008T. Baada ya mizunguko, kathodi zilitolewa ndani ya kisanduku cha glavu chenye argoni, zikasafishwa kwa upole kwa DME/DOL, zikakaushwa na mgusano wake na hewa ukapunguzwa. Utayarishaji huu ni hali ya uchukuaji sampuli kwa uchanganuzi wa uso; kusafisha na tabaka zinazofunika uso vinaweza kuathiri spishi za sulfuri zinazoonekana katika XPS.

3. Je, kitangulizi chenye mpangilio huundwa kweli?

Picha za SEM katika Kielelezo 2 cha chanzo zinaonyesha kwamba ZIF-67 isiyo na kiolezo huunda makundi ya chembe zenye nyuso bapa, huku sampuli yenye kiolezo ikiwa na mianya inayojirudia na matawi yanayoiunganisha. Ramani za elementi C, N na Co zinahusisha sehemu hizi za kitangulizi na muundo. Kuhifadhiwa kwa nafasi za vilele vya ZIF-67 katika michoro ya XRD kunaunga mkono kudumu kwa muundo wa fuwele wa mfumo wa metali–organiki wakati wa kuunda nafasi zenye mpangilio. Tofauti za nguvu za kulinganisha za vilele hazimaanishi zenyewe kwamba awamu mpya ya fuwele imejitokeza.

Katika ulinganisho wa FTIR wa Kielelezo cha Nyongeza S3, bendi za takriban 1580, 1140 na 990 cm⁻¹ zilihusishwa na mazingira ya vifungo vya kitangulizi chenye msingi wa imidazolate. Kipimo hiki hakionyeshi moja kwa moja mpangilio wa pande tatu wa vinyweleo; ni ushahidi wa nyongeza unaounga mkono kuwepo pamoja kwa muundo ulioonekana kwa SEM na kemia ya ZIF-67.

Katika adsorpsheni ya nitrojeni, kiasi kinachochukuliwa katika shinikizo la kulinganisha la chini hutoa taarifa kuhusu vinyweleo vidogo, huku kiasi cha ziada katika shinikizo la juu zaidi kikitoa taarifa kuhusu mchango wa nafasi kubwa zaidi. Chanzo kinaripoti kwamba mchango wa vinyweleo karibu na takriban 1.2 nm unaonekana zaidi katika kitangulizi chenye mpangilio. Hata hivyo, usambazaji wa vinyweleo vidogo unaopatikana kwa adsorpsheni ya gesi si kipimo cha diameta za nafasi zote kubwa katika SEM. Mbinu na kiwango cha vipimo vilivyotumika kutathmini ukubwa wa vinyweleo vinapaswa kuhifadhiwa.

Kielelezo cha Nyongeza S1 kinakamilisha picha ya tufe za PS, na S2 kinakamilisha mofolojia ya ZIF-67 isiyo na kiolezo. Lebo ya kipimo katika S1 ina utata inapochunguzwa pamoja na maelezo ya nanosfera katika matini na picha nyingine za mofolojia: picha inaonyesha 500 µm. Lebo hii haikubadilishwa kimyakimya kuwa 500 nm, na diameta ya PS haikuhesabiwa kutoka picha hii kama matokeo mapya ya namba.

4. Joto la ukabonishaji, ukuaji wa nanotubu na mpangilio wa vinyweleo

Baada ya ukabonishaji, uakisi wa difraksheni unaotambulisha ZIF-67 hupotea, na sifa zinazohusiana na kaboni na miundo yenye kobalti hujitokeza. Kuonekana zaidi kwa sifa ya kaboni (002) katika ONCF kunahusishwa na mpangilio wa grafiti katika chanzo. Tafsiri hii hutathminiwa pamoja na hadubini: katika 600 °C ukuaji wa nanotubu ni hafifu zaidi; katika 700 °C kiunzi chenye vinyweleo huhifadhiwa huku mipako minene zaidi ya nanotubu ikionekana; katika 800 na 900 °C muundo hukua kuwa mkubwa na mianya yenye mpangilio haionekani wazi sana.

Uhusiano muhimu katika jedwali ni kwamba ongezeko la ujazo wote wa vinyweleo haliendi kila wakati pamoja na ongezeko la eneo la uso. Ujazo wa vinyweleo wa ONCF-900 ni mkubwa kuliko wa ONCF-700, lakini eneo mahususi la uso ni dogo zaidi. Hali hii husaidia kuelewa kwamba nafasi kubwa zinaweza kuchangia sana ujazo, huku vinyweleo vidogo vikiwa muhimu kwa eneo la uso. NCF-700 pia ina eneo dogo zaidi la uso licha ya ujazo wote kuwa mkubwa kuliko wa ONCF-700. Kwa hiyo, kauli moja ya “yenye vinyweleo zaidi” haielezi vya kutosha tofauti za kimuundo za sampuli hizi.

Chanzo kinachagua 700 °C miongoni mwa hali zilizochunguzwa kama uwiano unaofaa kwa ukuaji wa nanotubu, uso unaofikika na uhifadhi wa kiunzi chenye mpangilio. Uchaguzi huu si joto bora la jumla lililoamuliwa kwa majaribio ya betri yenye upeo uleule katika kila joto. Vielelezo vya Nyongeza S4–S6 vinaunga mkono mfululizo wa joto kwa difraksheni, adsorpsheni ya nitrojeni na mofolojia, mtawalia. Kwa sababu vipimo vya mhimili wima wa paneli za XRD vinaweza kutofautiana, urefu unaoonekana wa kilele haupaswi kutumika moja kwa moja kupanga kiasi cha awamu.

Kielelezo 3 na Vielelezo vya Nyongeza S7–S8 vinaonyesha uhusiano wa nanotubu na matawi ya kaboni pamoja na uwepo wa chembe zenye kobalti nyingi katika kipimo kidogo zaidi. Chembe zilizozungukwa na kaboni zilichunguzwa kwa TEM, usambazaji wa C, N na Co kwa ramani za HAADF-STEM/EDS, na kingo za Co L₃ na L₂ kwa EELS. Hivi vinaunga mkono uwepo wa miundo ya ndani yenye kobalti; haviamui idadi ya vituo hai vya atomi moja au hali moja tu ya valensi ya kobalti. Mchango wa vinyweleo vidogo wa ONCF unaonekana zaidi hasa chini ya takriban 10 nm, huku NCF ikionyesha mchango mpana zaidi wa mesovinyweleo vikubwa.

5. XPS inasema nini kuhusu mazingira ya kikemia ya kaboni na nitrojeni?

XPS hutenganisha ishara kutoka kwenye uso kwa nishati zake za kufunga. Kufitisha bahasha ya C 1s au N 1s kwa sehemu kadhaa husaidia kutathmini michango ya kulinganisha ya mazingira tofauti ya vifungo. Asilimia zilizo hapa chini ni sehemu za maeneo ya vilele vilivyofitishwa ndani ya bahasha husika ya spektra. Si sahihi kuzisoma kama asilimia ya nitrojeni kwa uzito wa sampuli nzima, asilimia ya jumla ya atomi au hesabu ya moja kwa moja ya vifungo katika kiunzi chote cha kaboni.

Sehemu kubwa zaidi za C–C/C=C na N ya grafiti katika ONCF zimewasilishwa pamoja na tafsiri ya waandishi ya miunganisho ya elektroni iliyoendelea zaidi. Kuongezeka kwa sehemu inayopishana ya N–Co–N ya pyrrolic/pyrrolinic kunahusishwa na mazingira ya uso yenye kobalti na nitrojeni. Hata hivyo, haiwezekani kulinganisha eneo la kilele cha XPS kinachopishana na vituo hai vya Co–N pekee. Spektra ya uso haitoi kipimo huru cha upitishaji wa umeme au kasi kwa kila kituo cha katalisisi.

Katika ufiti wa Co 2p, michango ya Co⁰ ya metali kwa NCF ilitolewa kuwa %13.07 na %6.54 katika maeneo ya 2p₃/₂ na 2p₁/₂, mtawalia. Kwenye uso wa ONCF, chini ya hali zilezile za ufiti, mchango wa metali uliripotiwa kuwa takriban sifuri; sehemu zinazohusiana na Co²⁺/Co³⁺ na miundo ya satelaiti zilijitokeza zaidi. Kwa sababu sehemu za namba za sehemu nyingine zote za kobalti hazikutolewa katika matini kuu inayopatikana, usambazaji uliokosekana haukukamilishwa hapa.

Kuonekana kwa chembe zenye kobalti nyingi ndani ya kaboni kwa TEM huku XPS ikionyesha uso uliooksidishwa zaidi kunapaswa kusomwa kwa kuzingatia kwamba mbinu hizi hazichukui sampuli katika kina kilekile. Chembe ya ndani iliyozungukwa na kaboni na uso wa nje hazilazimiki kuwa na hali ileile ya kikemia. Aidha, spektra ya ONCF isiyopakiwa sulfuri na spektra ya S@ONCF iliyopakiwa sulfuri lakini haijapitia mizunguko ni hali tofauti za sampuli; michango midogo ya metali katika uchanganuzi huu miwili haipaswi kuchukuliwa moja kwa moja kuwa sawa.

FTIR katika Kielelezo cha Nyongeza S9 inaonyesha kwa nyongeza kupotea kwa bendi za vifungo vya kitangulizi baada ya ukabonishaji na mazingira yanayohusishwa na Co–O katika eneo la namba ndogo za mawimbi. Kuwepo kwa bendi pana hakukuwasilishwa kama utambuzi wa hakika wa awamu moja safi ya oksidi ya kobalti. Ujumbe mkuu wa Kielelezo 4 ni kwamba viunzi viwili vinatofautiana si kwa umbo tu, bali pia kwa usambazaji wa kulinganisha wa mazingira ya vifungo kwenye uso.

6. Seli linganifu hupimaje ubadilishaji wa polisulfidi?

Katika seli linganifu, elektrodi mbili hutayarishwa kwa nyenzo ileile na elektroliti yenye spishi za sulfuri zinazoyeyuka huwekwa kati yake. Katika utafiti huu, elektroliti ya msingi ina 1 M lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (LiTFSI) na 0.2 M LiNO₃ katika 1,3-dioxolane (DOL) na 1,2-dimethoxyethane (DME) kwa uwiano wa ujazo wa 1:1. Katoliti ya 0.25 M Li₂S₈ kwa jina ilitayarishwa kwa kutumia Li₂S na sulfuri katika uwiano wa moli wa 1:7; mchanganyiko ulikorogwa chini ya argoni katika 60 °C kwa saa 24. Chanzo kinaeleza kwamba suluhisho la rangi nyekundu-kahawia iliyokolea lisilo na mashapo lilipatikana.

ONCF au NCF ilitawanywa katika N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) kwa mkusanyiko wa 10 mg mL⁻¹ na kutibiwa kwa mawimbi ya sauti ya juu. 40 µL za suspenzi zilitumiwa kwenye diski za kitambaa cha kaboni zenye diameta ya 13 mm, ambazo orodha ya nyenzo za chanzo inaeleza kuwa na unene wa 300 µm, ili kuunda upakiaji wa kiunzi wa takriban 0.3 mg cm⁻²; elektrodi zilikaushwa katika utupu katika 80 °C kwa saa 12. Seli ya CR2032 iliundwa kwa elektrodi mbili zinazofanana, kitenganishi cha nyuzi za glasi na jumla ya 80 µL za katoliti. Seli ziliachwa katika saketi wazi kwa saa 12; kitambaa cha kaboni kisichopakwa kilitumika pia kama udhibiti.

Voltammetria ya mizunguko (CV) ilifanywa kati ya −0.8 na +0.8 V kwa kasi za uchanganuzi za 0.2, 0.5, 0.8, 1.0 na 1.2 mV s⁻¹. Spektroskopia ya impedansi ya kielektrokemia (EIS) ilipimwa baada ya historia ileile ya CV katika hali ya saketi wazi, kwa amplitudo ya volti inayobadilika ya 10 mV katika kiwango cha 100 kHz–0.01 Hz. Seli hizi hazina elektrodi ya metali ya lithiamu. Kwa hiyo, mhimili wa volti hapa hauna maana ileile na volti ya kathodi ya seli ya kitufe ya Li–S inayofuata inayorejelewa kwa Li⁺/Li.

Katika Kielelezo 5 cha chanzo, ONCF inaonyesha mikondo ya oksidesheni–redaksheni yenye nguvu zaidi na iliyo wazi zaidi kuliko NCF; miitikio ya NCF ni mipana na dhaifu zaidi, na mchango wa kitambaa cha kaboni kisichopakwa ni mdogo zaidi. Tao dogo zaidi katika mchoro wa Nyquist linaunga mkono tafsiri ya ukinzani mdogo zaidi wa kiolesura kwa ONCF. Katika grafu ya Nyquist, mhimili mlalo huonyesha sehemu halisi ya impedansi, na mhimili wima huonyesha sehemu ya kubuni iliyobadilishwa ishara; diameta ya tao moja haipimi kila sehemu ya seli kivyake.

Matokeo haya yanaunga mkono kwamba nyuso zinazofikika na kuunganishwa kielektriki zinazoshirikiana na polisulfidi hufanya kazi kwa ufanisi zaidi katika ONCF. Hata hivyo, chanzo hakitoi namba ya ukinzani wa uhamishaji wa chaji kutokana na ufiti wa saketi sawia, mkondo wa ubadilishanaji au kasi ya ubadilishaji kwa kila kituo. Pia haitoshi kuhusisha ongezeko la mkondo wa kilele cha CV na athari ya katalisisi ya kifungo kimoja tu cha kikemia; eneo linalofikika la uso na usafirishaji katika vinyweleo huchangia kipimo kilekile.

7. Upakiaji wa sulfuri na upotevu mbili wa uzito katika TGA

Matini kuu inaripoti kiwango cha sulfuri kwa uzito cha %67.0 kwa S@ONCF na %65.9 kwa S@NCF. Mikunjo ya termogravimetria katika Kielelezo cha Nyongeza S10 ni muhimu kwa kuelewa jinsi jumla hii inavyopaswa kusomwa. Kwa S@NCF, upotevu mkuu wa uzito umewekewa lebo ya %61.2 na upotevu wa ziada katika joto la juu zaidi %4.7; kwa S@ONCF lebo ni %62.2 na %4.8, mtawalia. Hatua mbili zikijumlishwa, thamani za %65.9 na %67.0 katika matini kuu hupatikana.

Kwa hiyo, hakuna kosa la moja kwa moja la kujumlisha kati ya matini kuu na kielelezo. Jambo lililo wazi ni ukosefu wa maelezo ya kutosha kuhusu michango ya kikemia inayounda upotevu wa pili katika joto la juu na jinsi ulivyohusishwa na kiasi cha sulfuri. Utata huu ni muhimu kwa sababu unaweza kuathiri uzito wa sulfuri unaotumika kugawanya uwezo. Hapa, uwiano wa sulfuri ulioripotiwa na waandishi umehifadhiwa; mfululizo mpya wa uwezo mahususi haukuhesabiwa kwa kutumia hatua kuu ya upotevu pekee.

Katika Kielelezo cha Nyongeza S11, ONCF iliyopakiwa sulfuri inaonyesha usambazaji ulio wazi zaidi na unaolingana na kiunzi, ikilinganishwa na mwonekano wenye makundi zaidi wa udhibiti usio na mpangilio. Hii inachangia tafsiri kwamba sulfuri ina mgusano wenye mpangilio zaidi na kiunzi. Hata hivyo, picha ya SEM peke yake haitoi ramani ya kiasi cha usambazaji wa sulfuri katika ujazo wote wa elektrodi; mwonekano wa uso na jumla ya kiasi kilichopakiwa ni vipimo tofauti.

8. Utayarishaji wa seli za kitufe na hali za ulinganisho

Tope la kathodi lilitayarishwa katika NMP kwa kutumia mchanganyiko wa S@ONCF au S@NCF, kaboni inayopitisha umeme ya Ketjenblack EC300J na kifunganishi cha poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene) (PVDF-HFP) kwa uwiano wa uzito wa 80:10:10. %80 hapa ni sehemu ya vitu vigumu kwenye tope inayotokana na mchanganyiko wenye sulfuri na kiunzi pamoja; haimaanishi kwamba elektrodi ina %80 ya sulfuri safi. Tope lilipakwa kwenye karatasi ya alumini yenye unene wa 20 µm, likaushwa katika utupu katika 80 °C kwa saa 12, likabanwa kwa rola katika 90 °C na kukatwa kuwa diski zenye diameta ya 12 mm.

Kathodi zenye upakiaji wa sulfuri wa takriban 1.5–2.0 mg cm⁻² ziliwekwa katika seli za CR2032 katika mazingira ya argoni. Diameta ya elektrodi ya lithiamu ya metali ya upande wa pili/rejeo ni 15.8 mm. Polypropylene ya Celgard 2400 ilitumika kama kitenganishi. Elektroliti ina 1 M LiTFSI na 0.2 M LiNO₃ katika mchanganyiko wa DME/DOL wa uwiano wa ujazo wa 1:1. Uwiano wa elektroliti/sulfuri (E/S) umetolewa kuwa 10 µL kwa kila 1 mg ya sulfuri. Kiasi hiki ni sehemu ya hali ya ufikiaji wa kioevu ambayo kiunzi kilijaribiwa ndani yake.

Vipimo vya CV vya seli za kitufe vilifanywa kati ya 1.7–2.8 V kwa rejeo la Li⁺/Li na kwa kasi ya uchanganuzi ya 0.05 mV s⁻¹. Hali za EIS ni amplitudo ya 10 mV na kiwango cha masafa cha 100 kHz–0.01 Hz. Kabla ya majaribio ya mizunguko katika mkondo uliolengwa, mizunguko mitatu ya awali ya 0.1 A g⁻¹ ilitumika. Mikondo na uwezo wote mahususi ulioripotiwa na chanzo umesanifishwa kwa uzito wa sulfuri. Kwa kuwa uhusiano wa rejeo la mwanzo katika kila grafu na mizunguko ya awali haukuelezwa kando kwa undani, thamani za mwanzo na uhifadhi zilizoripotiwa zimehifadhiwa katika muktadha wa majaribio yake.

Je, uwezo kwa uzito wa sulfuri ni msongamano wa nishati wa betri?

Uwezo kwa uzito wa sulfuri ni thamani ya mAh g⁻¹ inayopatikana kwa kugawanya chaji ya umeme inayotolewa na seli kwa kiasi cha sulfuri pekee; hautoi msongamano wa nishati wa betri iliyokamilika. Kwa msongamano wa nishati katika kiwango cha seli, pamoja na volti ya kufanya kazi, uzito au ujazo wa lithiamu, elektroliti, kiunzi cha kaboni, kifunganishi, kikusanya mkondo, kitenganishi na kifungashio lazima pia vihesabiwe. Kwa sababu utafiti huu unaripoti matokeo ya uwezo unaotegemea sulfuri, thamani haziwezi kuwasilishwa moja kwa moja kama Wh kg⁻¹ au Wh L⁻¹.

Uwezo mahususi na uwezo kwa eneo pia hujibu maswali tofauti. Uwezo mahususi unaonyesha kiasi cha chaji kinachoweza kupatikana kwa kila uzito wa kitengo cha sulfuri; uwezo kwa eneo unaonyesha kiasi cha chaji kinachobebwa na eneo la kitengo cha elektrodi. Upakiaji kwa eneo unapoongezeka, kiasi cha nyenzo hai ambacho ioni zinapaswa kufikia pia huongezeka. Kwa hiyo, matokeo ya seli ya kitufe yenye upakiaji mdogo na ya seli ya mfuko yenye upakiaji mkubwa hayawezi kupangwa kana kwamba yana hali sawa kwa kuangalia safu ya mAh g⁻¹ pekee.

Chanzo hakina modeli kuu ya kihisabati au mlinganyo wenye namba. Maelezo ya usanifishaji yaliyotumika hapa ni fasili za kufundishia. Kwa mfano, uwezo katika mAh g⁻¹ ukizidishwa kwa upakiaji wa sulfuri kwa eneo katika g cm⁻², uwezo kwa eneo katika mAh cm⁻² hupatikana. Ikiwa upakiaji umetolewa katika mg cm⁻², kwanza hubadilishwa kwenda gramu. Uhifadhi wa uwezo ni uwiano wa uwezo wa mwisho na uwezo wa mwanzo uliochaguliwa katika jaribio lilelile; thamani ya juu zaidi ya mwanzo kutoka jaribio jingine haipaswi kuhamishiwa katika uwiano huu.

9. Miitikio ya awali ya redoksi na ulinganisho wa moja kwa moja wa mizunguko 200

Katika Kielelezo 6a cha chanzo, vilele vya redaksheni vinaonekana karibu na takriban 2.33 na 2.07 V. Hatua hizi mbili zinahusishwa na mfululizo wa ubadilishaji kutoka sulfuri kwenda polisulfidi zinazoyeyuka na baadaye spishi zenye sulfuri kidogo zaidi/uundaji wa Li₂S. Miitikio ya oksidesheni hutathminiwa katika kiwango cha takriban 2.30–2.37 V. Vilele vilivyo wazi zaidi vya ONCF na mwelekeo mdogo zaidi wa polarisasheni, pamoja na matokeo ya seli linganifu, vinaunga mkono tabia bora zaidi ya redoksi ya sulfuri. Volti hizi za kukadiria si vizingiti vya kudumu vya mwitikio kwa kila mkondo na kila mzunguko.

Katika vipimo vya awali vya EIS, sehemu za kukatiza za eneo la ohmiki ziko karibu, lakini nusu duara ya S@ONCF ni ndogo zaidi. Uchunguzi huu unaonyesha kwamba ingawa michango ya mfululizo ya masafa ya juu ya seli mbili inafanana, tabia zao za kiolesura zinaweza kutofautiana. Kwa kuwa chanzo hakitoi jedwali la namba za ukinzani au saketi sawia iliyofitishwa, ukinzani halisi wa uhamishaji wa chaji au mgawo wa difyusheni ya ioni za lithiamu haukutolewa kutoka kwenye grafu.

Katika jaribio hili, S@ONCF inazidi udhibiti katika uwezo wa mzunguko wa 200 na katika uhifadhi wa uwezo. Chanzo kinaonyesha ufanisi wa kulombiki wa takriban %100. Ufanisi wa kulombiki unaeleza uhusiano wa chaji inayopokelewa na kutolewa katika mzunguko mmoja; hauonyeshi kwamba uwezo wa mwanzo haubadiliki katika mizunguko yote. Seli inaweza kuchajiwa kwa uwezo mdogo na kurudisha kiasi cha chaji kinachofanana. Kwa hiyo, ufanisi wa kulombiki wa takriban %100 na uhifadhi wa uwezo wa %80.4 vinaweza kuwepo pamoja katika jaribio lilelile.

Katika Kielelezo cha Nyongeza S12, mikunjo ya kuchaji–kutoa chaji kwa mkondo thabiti ya mizunguko 1, 50, 100, 150 na 200 inalinganishwa. Katika mikunjo hii, mhimili mlalo unaonyesha uwezo mahususi na mhimili wima volti. Urefu wa sehemu tambarare za utoaji chaji unahusiana na mchango wa hatua husika za ubadilishaji kwenye uwezo; tofauti ya volti kati ya kuchaji na kutoa chaji inahusiana na polarisasheni. Profaili za S@ONCF zilizohifadhiwa vizuri zaidi zinaunga mkono grafu ya uwezo kwa umbo lake. Hata hivyo, kwa kuwa pointi za namba za mikunjo asilia hazikutolewa, sehemu zote tambarare hazikuzalishwa upya hapa.

10. Mkondo unapoongezeka, uwezo kiasi gani huhifadhiwa?

Katika jaribio la kasi, mkondo uliongezwa kwa mfuatano hadi 0.2, 0.5, 1.0, 2.0 na 3.0 A g⁻¹. Mkondo unapoongezeka, kiasi kilekile cha chaji kinapaswa kuhamishwa katika muda mfupi zaidi; hivyo ufikiaji wa ioni, muunganisho wa elektroni na ubadilishaji wa redoksi hupimwa kwa pamoja katika hali yenye mahitaji makubwa zaidi. Thamani ambazo chanzo kimetoa wazi kwa S@ONCF ziko hapa chini.

Uwezo kubaki katika kiwango cha 931.8 mAh g⁻¹ kwenye mkondo wa juu zaidi ulioripotiwa kunaonyesha kwamba katika jaribio hili, sehemu kubwa ya sulfuri iliweza kutumika hata wakati wa kufanya kazi kwa kasi zaidi. Mkondo uliporudishwa kuwa 0.2 A g⁻¹, urejeaji mkubwa wa uwezo uliripotiwa. Hata hivyo, kwa kuwa matini kuu haitoi namba halisi ya hatua ya kurudi, thamani mpya halisi haikuzalishwa kutoka mwonekano wa grafu. NCF inaonyesha uwezo mdogo zaidi katika hatua zote za kasi; thamani zake za namba katika hatua tano pia hazikutolewa moja moja katika matini.

Thamani ya 1359.2 mAh g⁻¹ kwenye pointi ya 0.2 A g⁻¹ ya jaribio la kasi na mwanzo wa 1269.7 mAh g⁻¹ wa jaribio la mizunguko 200 zinatokana na mfululizo tofauti wa majaribio. Namba hizi mbili hazipaswi kuunganishwa kama pointi zinazofuatana za mkunjo mmoja au namna mbili za kuandika kipimo kimoja cha mwanzo. Kielelezo cha Nyongeza S13 kinakamilisha maelezo ya jinsi sehemu tambarare na polarisasheni hubadilika katika mkondo mkubwa kwa kuonyesha profaili za kuchaji–kutoa chaji katika hatua za kasi.

11. Uimara wa mizunguko mingi: mikondo mitatu, majaribio matatu tofauti

Uimara wa muda mrefu ulichunguzwa katika majaribio tofauti kwa mikondo ya 0.5, 1.0 na 2.0 A g⁻¹. Kwa kuwa idadi ya mizunguko na mkondo hubadilika kwa wakati mmoja, matokeo haya hayapaswi kusomwa kama rekodi ya seli moja iliyoendelea bila kukoma huku mkondo ukiongezwa. Kila uwiano wa uhifadhi unahusu mwanzo wa mfululizo wake husika.

Chanzo kinaripoti wastani wa upungufu wa uwezo kwa kila mzunguko kuwa takriban %0.0364 katika jaribio la 2.0 A g⁻¹. Hesabu rahisi ya wastani kwa kutumia tu uhifadhi uliokadiriwa wa %72.9 na idadi ya mizunguko 750 hutoa takriban %0.0361. Kuzalisha tofauti hii ndogo kunahitaji mwanzo uliotumika, kipindi cha mizunguko na data ambazo hazijazungushwa. Hapa thamani ya waandishi ya %0.0364 imehifadhiwa, na imeelezwa kwamba si sheria thabiti ya uharibifu inayoonyesha upotevu uleule katika kila mzunguko.

Kielelezo cha Nyongeza S14 kinawasilisha profaili zilizochaguliwa za kuchaji–kutoa chaji za mfululizo wa mizunguko mingi. Kutathmini uhifadhi wa uwezo pamoja na umbo la profaili hutoa taarifa zaidi kuliko kuangalia pointi ya mwisho pekee: hatua za ubadilishaji za elektrodi na mwelekeo wa polarisasheni pia hufuatiliwa. Hata hivyo, kwa kuwa utafiti hauripoti wazi idadi ya marudio huru ya seli, usambazaji kati ya seli au vipindi vya kujiamini, namba zilizotolewa si usambazaji wa kitakwimu wa maisha unaowakilisha makundi yote ya uzalishaji.

12. Uso wa kathodi hubadilikaje baada ya mizunguko?

XPS ya baada ya mizunguko katika Kielelezo 7 cha chanzo inahusu kathodi zilizopitia mizunguko 100 kwa mkondo wa 0.2 A g⁻¹ na kutolewa chaji hadi 1.7 V. Hali hii ya sampuli ni tofauti na XPS ya kiunzi cha mwanzo. Uchunguzi unatathmini uundaji wa tabaka la uso linaloitwa awamu ya mpakani ya kathodi–elektroliti (CEI) na mabadiliko ya ishara zinazohusiana na sulfuri, florini, kobalti na nitrojeni.

Katika kathodi iliyotolewa chaji, CEI inayofunika uso inaweza kudhoofisha ishara ya XPS ya spishi za sulfuri zilizo chini yake. Utoaji na usafishaji wa sampuli pia vinaweza kubadilisha kuonekana kwa spishi zinazoyeyuka. Kwa hiyo, uchunguzi kwamba “Li₂S haikuonekana wazi katika XPS” hauwezi kutoa hitimisho kwamba “betri ilifanya kazi bila kuunda Li₂S”. Uteuzi wa kikemia wa spektroskopia ya uso unapaswa kutumiwa pamoja na ukweli kwamba kipimo hakichukui sampuli ya nyenzo hai yote.

Katika Kielelezo cha Nyongeza S15, ulinganisho wa EIS baada ya mizunguko unatathminiwa kwa mwitikio wa matao mawili madogo zaidi baada ya mizunguko 100. Waandishi wanajadili hili kwa kuhusisha uamilishaji wa elektrodi na mabadiliko ya kiolesura yanayohusiana na filamu ya uso. Kwa kuwa ufiti wa saketi sawia na ukinzani halisi wa namba kwa kila tao havijatolewa, haiwezekani kugawa matao mawili kwa tabaka maalumu bila ubishi. Impedansi ya mwanzo na ya baada ya mizunguko inaonyesha hali tofauti za uso wa nyenzo ileile.

Katika picha za SEM za Kielelezo cha Nyongeza S16, muundo wenye vinyweleo wa ONCF bado unatambulika katika maeneo yaliyochunguzwa. Matokeo haya yanaunga mkono uimara wa kiunzi katika kipindi cha ubadilishaji. Hata hivyo, picha za maeneo machache hazikutumiwa kuhitimisha kwamba ujazo wa pande tatu wa vinyweleo katika elektrodi nzima haukubadilika au kwamba hakuna nyufa zozote. CEI yenye LiF, mwonekano wa vinyweleo uliohifadhiwa na uwezo wa mizunguko mingi vinaendana katika mfumo mmoja wa maelezo; kiasi ambacho kila kimoja huongeza maisha hakikupimwa katika jaribio tofauti.

Je, matokeo ya seli ya mfuko yanaonyesha kwamba kathodi hii iko tayari kwa matumizi ya kibiashara?

Matokeo ya seli ya mfuko yanaonyesha kwamba kathodi ya S@ONCF inaweza kufanya kazi katika eneo kubwa zaidi la elektrodi na kwa upakiaji wa sulfuri wa takriban 4.0 mg cm⁻²; si uthibitishaji uliokamilika wa matumizi ya kibiashara. Katika jaribio, lithiamu ya metali yenye unene wa takriban 500 µm ilitumika, uwiano wa elektroliti/sulfuri mahsusi kwa seli ya mfuko haukutolewa wazi, na msongamano wa nishati wa seli nzima haukuripotiwa. Kwa hiyo, matokeo ya mizunguko 300 yanapaswa kutathminiwa kama ushahidi wa uimara wa mpangilio wa maabara uliotajwa.

13. Uwezo na upakiaji kwa eneo wa seli ya mfuko

Vipimo vya kathodi ya seli ya mfuko vimetolewa kuwa 4.7 × 6.7 cm², na upakiaji wa sulfuri kwa eneo kuwa takriban 4.0 mg cm⁻². Uamilishaji ulifanywa kwa mzunguko mmoja kwa mkondo wa 50 mA g⁻¹, kisha mizunguko ikaendelea kati ya 1.7–2.8 V kwa mkondo wa 200 mA g⁻¹, yaani 0.2 A g⁻¹. Jaribio hili lina upakiaji mkubwa zaidi kwa eneo kuliko 1.5–2.0 mg cm⁻² ya seli za kitufe; utaratibu wa mwanzo pia ni tofauti.

Uhusiano kati ya uwezo kwa eneo na uwezo mahususi unaweza kuonekana katika matokeo haya: 4.0 mg cm⁻² ni sawa na 0.0040 g cm⁻². Thamani za uwezo mahususi za chanzo zikihusishwa na upakiaji huu, zinaendana na uwezo kwa eneo wa takriban 3.0 na 2.2 mAh cm⁻². Maelezo haya si jaribio jipya la seli; yanafanya iwe rahisi kuelewa uwasilishaji wa matokeo yale yale katika usanifishaji mbili tofauti katika chanzo.

Kielelezo 8 pia kinaonyesha seli ya mfuko ikiendesha LED nyekundu katika mwanga wa kawaida na gizani. Onyesho la LED ni mfano wa utendaji unaoonekana unaoonyesha kwamba seli iliyoundwa inaweza kutoa umeme. Kwa sababu nguvu ya LED, muda wa kufanya kazi na kipimo cha nishati kilichofafanuliwa kwa uzito wote wa seli havikutolewa, picha haziwezi kutumika kulinganisha nishati mahususi au muda wa kufanya kazi wa kifaa cha kibiashara.

Lithiamu ya metali nene na thamani ya E/S ya seli ya mfuko ambayo haijafafanuliwa ni muhimu katika kutathmini mipaka ya kiutendaji ya hatua hii. Uwiano wa 10 µL mg⁻¹ uliotolewa kwa seli ya kitufe haukuhamishiwa kwa seli ya mfuko bila maelezo. Kiasi kidogo cha elektroliti, ziada ndogo ya lithiamu, uzito wote wa seli, kiwango kipana cha joto, uundaji wa gesi au tabia ya usalama havijathibitishwa kwa seti hii ya data. Matokeo ni onyesho la muundo wa kathodi linalofanya majaribio ya hali hizi baadaye kuwa na maana.

14. Maana ya matokeo kwa pamoja na michango isiyoelezwa

Maelezo yanayopendekezwa katika chanzo ni kwamba vinyweleo vyenye mpangilio na gamba la nanotubu huweka maeneo ya mwitikio yakiwa yanafikika na kuunganishwa kielektriki. Nyuso zenye nitrojeni/kobalti husaidia polisulfidi kuingiliana na maeneo haya na kubadilishwa. Mwitikio wa redoksi ulioimarishwa katika seli linganifu, tabia bora ya kasi katika seli za kitufe na mwonekano wa vinyweleo baada ya mizunguko vinaendana na maelezo haya. Kwa sababu data za muundo, uso na seli zinaelekea upande mmoja, hitimisho halitegemei picha moja ya hadubini au thamani moja tu ya uwezo wa mwisho.

Hata hivyo, athari za vinyweleo vyenye mpangilio, msongamano wa nanotubu, mazingira ya vifungo vya nitrojeni na kemia ya uso ya kobalti hazikutenganishwa kikamilifu katika jaribio. Mifululizo huru ya udhibiti bila kobalti, bila nanotubu au inayohifadhi kemia ileile ya uso huku ikibadilisha mpangilio pekee haikuwasilishwa. Kwa hiyo, kwa mfano, haiwezekani kusema kwamba “asilimia fulani ya uboreshaji inatokana na vituo vya Co–N pekee”. Hitimisho linaloungwa mkono na utafiti ni kwamba kiunzi cha ONCF kilichounganishwa na kutayarishwa hufanya kazi vizuri zaidi kuliko udhibiti wa NCF uliotumika.

Vilevile, chanzo hakitoi upitishaji wa umeme wa moja kwa moja, upindapindaji wa njia za vinyweleo kwa namba, mgawo wa difyusheni ya ioni za lithiamu, uwezo huru wa adsorpsheni au hesabu za kinadharia za nishati ya kufunga. Sifa hizi ni dhana zinazoelekeza mjadala wa utaratibu; hazikuongezwa kama namba zilizopimwa katika utafiti. Kutokuwepo kwa pau za hitilafu, idadi wazi ya seli huru na vipindi vya kujiamini katika matokeo ya mizunguko pia kunapunguza uwezo wa kutathmini kwa kiasi urudishwaji wa matokeo kati ya uzalishaji tofauti.

Funzo la utafiti ni kwamba mwingiliano wa ndani wa kikemia, ufikiaji wa vinyweleo na miunganisho ya elektroni katika kiunzi cha sulfuri vinapaswa kubuniwa kwa pamoja. Mpangilio wa kiunzi si sawa na kuwa na ujazo mkubwa zaidi wa vinyweleo pekee; uwezo mkubwa hauonyeshi wenyewe kwamba seli nzima ina msongamano mkubwa wa nishati. Data zilizowasilishwa zinaunga mkono muundo wa kaboni wenye mpangilio na gamba la nanotubu kama mgombea mwenye nguvu kwa kathodi imara za Li–S katika hali za maabara.

Maelezo ya Chanzo na Mbinu

Utafiti asilia na waandishi

Kichwa kamili cha asili: A CNT-Sheathed 3D-Ordered N-Doped Carbon Framework Enabling Accelerated Polysulfide Conversion for Durable Li–S Batteries.

Mpangilio asilia wa waandishi: Manh Cuong Nguyen¹˒², Thi Huyen Nguyen¹, Zhifan Wang¹ na Jaekyun Kim¹˒². Mwandishi wa mawasiliano ni Jaekyun Kim; chanzo kinatoa anwani ya mawasiliano kuwa jaekyunkim@hanyang.ac.kr. Hakuna tamko la uandishi wa kwanza wa pamoja au mchango sawa lililobainika.

Toleo la chanzo: Faili iliyopakiwa ya kurasa 70, “muhendislik (109).pdf”, ina maandishi “Preprint not peer reviewed” katika kurasa za matini kuu. Makala hii ya Kituruki inategemea data za toleo hili la awali lililoainishwa kuwa halijapitiwa na wataalamu wenza. Kiungo cha rekodi kilichotajwa katika PDF ni SSRN 6945788. Kwa kuwa ufikiaji wa ukurasa rasmi wa rekodi na ulinganishaji huru wa bibliografia haukukamilika, tarehe ya uchapishaji, DOI, jina la jarida na matoleo ambayo huenda yalichapishwa baadaye havikuweza kuthibitishwa. Tarehe za kuunda au kurekebisha katika sifa za faili ya PDF hazikutumika badala ya tarehe ya uchapishaji.

Leseni: Faili iliyopakiwa haina leseni wazi ya kutumia upya. Picha asilia za SEM, TEM, XPS na vielelezo vingine hazikunakiliwa katika makala hii. Grafu tatu zilitayarishwa kama michoro mipya kutoka namba zilizoripotiwa wazi katika matini kuu; mtiririko wa uzalishaji uliwasilishwa kama mchoro wa dhana unaotegemea mbinu ya chanzo. Data za utafiti wa chanzo na utambuzi wa waandishi vimehifadhiwa.

Upeo uliochunguzwa na ufuatiliaji wa vielelezo

Kurasa 70 za PDF zilichunguzwa. Kurasa 45 za kwanza zina matini kuu, marejeo na vielelezo vikuu; kurasa 25 za mwisho zina nakala kubwa za vielelezo vikuu na Vielelezo vya Nyongeza S1–S17. Utoaji wa matini ulitumiwa pamoja na uchunguzi wa picha. Ulinganishaji ufuatao hurahisisha kupata maelezo ya kisayansi ya vielelezo vya makala ndani ya chanzo. Kurasa zinaonyesha mpangilio wa kurasa za PDF.

Majedwali S1–S4 yanayorejelewa katika matini kuu hayamo katika faili iliyopakiwa; hakuna pia faili tofauti ya nyongeza iliyopachikwa ndani ya PDF. Kwa kurejelea majedwali haya, eneo la uso, ujazo wa vinyweleo na sehemu za XPS zilizoandikwa wazi katika matini kuu zimenukuliwa. Visanduku vyote vya majedwali yasiyopatikana, uwiano wa sehemu zote za Co au ulinganisho wa fasihi katika S4 havikukamilishwa. Kwa hiyo, nafasi ya hakika ya utendaji wa utafiti huu kati ya viunzi vingine haitangazwi kwa kutegemea jedwali hili linalokosekana.

Michoro ya namba iliyofanywa upya inategemea pointi zilizoripotiwa na thamani za majedwali pekee. Kwa sababu data ghafi za namba za mikunjo ya CV, EIS, TGA, XPS na kuchaji–kutoa chaji hazijashirikiwa, pointi za kati, vipindi vya hitilafu au vigezo vya ufiti havikuzalishwa. Uhusiano wa hatua mbili za upotevu wa TGA na kiwango cha jumla, mpaka wa kuzungusha kiwango cha kupungua kwa kila mzunguko na lebo ya kipimo ya S1 vimeelezwa wazi katika sehemu husika. Hakuna matokeo mapya ya majaribio kutoka vyanzo vya nje yaliyoongezwa kwenye matokeo ya kisayansi.

Matamko ya mchango, msaada na data

Ufadhili na shukrani: Chanzo kinaripoti msaada wa Korea Basic Science Institute (National Research Facilities and Equipment Center), uliofadhiliwa na Wizara ya Elimu ya Korea, kwa namba za miradi 2021R1A6C101A405 na RS-2025-00573574. Shukrani zimetolewa kwa Next Generation Display Research Core Facility ndani ya Hanyang University ERICA kwa msaada wa matumizi ya SEM S4700.

Mgongano wa maslahi: Waandishi wanatangaza kwamba hawana maslahi ya kifedha yanayoshindana au uhusiano wa kibinafsi unaojulikana ambao ungeweza kuathiri utafiti.

Upatikanaji wa data: Imeelezwa kwamba data zitatolewa kwa ombi. Chanzo kilichopakiwa hakitoi hazina ya wazi ya data ghafi yenye kiungo. Data za kuchora upya katika matini hii ya Kituruki hupanga namba ambazo chanzo kimeripoti wazi; hazibadilishi faili za vipimo ghafi vya utafiti ambazo hazijashirikiwa.

Mbinu ya utayarishaji wa Kituruki: Matini hii inasimulia upya kwa Verianla tatizo, usanisi, uainishaji wa sifa, mpangilio wa seli, matokeo na mipaka ya tafsiri ya utafiti wa chanzo katika muundo wa kufundishia. Namba za majedwali na grafu ni za makala hii ya Kituruki; kauli “Kielelezo cha chanzo” na “Kielelezo cha Nyongeza” zinarejelea PDF asilia. Nukta ya desimali katika namba, vipimo vya kisayansi na misimbo ya sampuli vimehifadhiwa kwa uthabiti.