Utafiti huu umechunguza utengenezaji wa anodi za silikoni zenye vinyweleo kwa matumizi katika betri za lithiamu-ioni kwa kutumia mbinu ya elektrolisisi iliyooanishwa inayotegemea ubadilishaji unaoweza kurejeshwa wa Mg₂Si/Si ndani ya chumvi iliyoyeyuka ya NaCl–KCl–MgCl₂. Wakati Mg₂Si ilipotenganishwa na magnesiamu upande wa anodi na kubadilishwa kuwa silikoni yenye vinyweleo vya kihierarkia, silikoni ya ukubwa wa mikromita kwenye katodi ilibadilishwa tena kuwa Mg₂Si na kutumika kama malighafi ya anodi katika mzunguko uliofuata wa uzalishaji. Masharti bora yalibainishwa kuwa uwiano wa moli wa Mg₂Si:Si wa 1,2:1 na volteji ya seli ya 1,9 V. Anodi ya silikoni iliyozalishwa katika sharti hili ilionyesha ufanisi wa awali wa Coulomb wa %86,2, uwezo unaoweza kurejeshwa wa 1599 mAh g⁻¹ baada ya mizunguko 500 katika msongamano wa mkondo wa 2 A g⁻¹, na uhifadhi wa uwezo wa %87,9. Hata hivyo, matokeo yanategemea nusu-seli zenye lithiamu ya metali zilizo na upakiaji wa nyenzo hai wa takriban 1,0 mg cm⁻², idadi ndogo ya mizunguko ya matumizi tena, na preprint ambayo haijapitiwa na wahakiki wenza.

Ubunifu mkuu wa utafiti ni kutumia elektrodi mbili za seli ya elektrolisisi kama mfumo unaozalisha nyenzo zenye thamani kwa wakati mmoja. Ingawa katika elektrolisisi ya kawaida ya kloridi iliyoyeyuka klorini inaweza kutokea upande wa anodi, katika muundo huu demagnesisheni ya kielektrokemia ya Mg₂Si imetumika kama mmenyuko wa anodi. Wakati silikoni yenye vinyweleo inazalishwa kwenye anodi, ioni za Mg²⁺ zinazotolewa husafirishwa kwenda katodi na huko huunda tena Mg₂Si pamoja na mikrosilikoni. Kwa hivyo, badala ya sehemu ya magnesiamu kutolewa kabisa nje ya mfumo, huhamishwa kwenda mzunguko unaofuata.

Silikoni iliyopatikana katika 1,9 V ilionyesha muundo wazi wenye vinyweleo unaoundwa na vijiti vyembamba na lamella zinazofungamana. Muundo huu hutoa nafasi kwa mabadiliko makubwa ya ujazo ambayo silikoni hupitia inapopokea na kutoa lithiamu, hupunguza urefu wa njia za usafirishaji wa ioni, na huongeza ufikivu wa elektrolaiti. Eneo mahususi la uso liliongezeka kutoka 11,46 m² g⁻¹ katika mikrosilikoni isiyochakatwa hadi 56,23 m² g⁻¹ katika bidhaa ya 1,9 V. Matokeo ya impedansi ya kielektrokemia pia yalionyesha kwamba upinzani wa kiolesura na wa uhamishaji chaji ulipungua kwa kiasi kikubwa katika sampuli hiyo hiyo.

Tabaka la kaboni amorfu lenye unene wa takriban 5 nm lilipopakwa kwenye silikoni iliyoundwa upya, ufanisi wa awali wa Coulomb ulifikia %86,4. Anodi iliyofunikwa kaboni ilidumisha uwezo wa 1563,2 mAh g⁻¹ na uhifadhi wa uwezo wa %88,6 baada ya mizunguko 500 katika msongamano wa mkondo wa 3 A g⁻¹; katika msongamano wa mkondo wa 8 A g⁻¹ ilitoa 923 mAh g⁻¹. Ingawa upakaji wa kaboni ulitoa mtandao unaopitisha umeme na ulinzi wa uso, ulihitaji kemikali za ziada, matibabu ya joto ya 700 °C na hatua za ziada za uzalishaji.

Tathmini kwa mtazamo wa Uturuki: Utafiti huu hauwasilishi teknolojia ya betri ambayo imetekelezwa kwa kiwango cha uzalishaji nchini Uturuki. Hata hivyo, unaonyesha mbinu inayoweza kuchunguzwa katika muktadha wa uzalishaji wa anodi za silikoni, mzunguko tena wa nyenzo muhimu, nyenzo za betri za ndani na elektrokemia ya halijoto ya juu. Ili kutathmini uwezekano wa kutumika nchini Uturuki, kunahitajika upakiaji mkubwa zaidi wa elektrodi, seli kamili, idadi kubwa ya mizunguko ya uzalishaji, matumizi ya nishati, mizania ya wingi wa magnesiamu na chumvi, kipimo cha moja kwa moja cha utoaji wa klorini, taka za asidi na uoshaji, uchambuzi wa gharama na majaribio ya uzalishaji wa kiwango cha majaribio. Utafiti huu hautoi ushahidi wa kiwango cha kibiashara, gharama ya uzalishaji wa ndani au mafanikio yaliyothibitishwa katika betri za magari ya umeme.

Swali kuu la utafiti ni lipi?

Swali kuu la utafiti ni kama anodi za silikoni zenye uwezo mkubwa lakini zisizo imara kimitambo zinaweza kuzalishwa katika muundo wenye vinyweleo na unaodumu, huku sehemu ya magnesiamu inayotumiwa wakati wa uzalishaji ikiingizwa tena katika mzunguko. Watafiti walichunguza kama mzunguko wa elektrolisisi ambapo Mg₂Si hubadilishwa kuwa silikoni upande wa anodi na mikrosilikoni hubadilishwa tena kuwa Mg₂Si upande wa katodi unaweza kutimiza malengo haya mawili kwa pamoja.

Nadharia tete ya utafiti ilikuwa kwamba kuondoa ioni za magnesiamu kutoka Mg₂Si katika volteji inayofaa ya seli kungeunda upya kiunzi cha silikoni kwa namna yenye vinyweleo na kihierarkia badala ya kukivunja kabisa. Wakati huo huo, ilitarajiwa kwamba Mg₂Si inayoundwa kwenye katodi ingehamishwa kwenda mzunguko unaofuata, hivyo kuondoa hitaji la kurudia usanisi wa awali wa Mg₂Si katika kila mzunguko.

Tatizo kuu la anodi za silikoni ni nini?

Uwezo mahususi wa kinadharia wa silikoni umetolewa kuwa takriban 3579 mAh g⁻¹, huku uwezo wa kinadharia wa grafiti ya kibiashara ukiwa takriban 372 mAh g⁻¹. Uwezo huu mkubwa hufanya silikoni ivutie kwa betri za kizazi kijacho. Hata hivyo, silikoni inapounda aloi na lithiamu, ujazo wake unaweza kubadilika hadi takriban %300.

Mabadiliko haya makubwa ya ujazo yanaweza kusababisha chembe kupasuka na kusagika, kupotea kwa mgusano wa umeme kati ya nyenzo hai na mkusanyaji wa mkondo, na kiolesura cha elektrolaiti imara kuvunjika na kuundwa upya mara kwa mara. Kiolesura cha elektrolaiti imara (solid-electrolyte interphase, SEI) ni tabaka linaloundwa juu ya uso wa anodi kutokana na ureduksheni wa elektrolaiti katika mizunguko ya kwanza. Kikiwa thabiti kinaweza kulinda elektrodi; kikivunjika mara kwa mara, hutumia elektrolaiti na lithiamu mpya na kuongeza upotevu wa uwezo.

Kuwa na chembe za silikoni zilizo nzito na kubwa pia kunaweza kuongeza umbali ambao ioni za lithiamu zinapaswa kusafiri ndani ya muundo. Hali hii inaweza kuchangia kupungua kwa uwezo katika misongamano mikubwa ya mkondo na kuongezeka kwa matumizi ya lithiamu yasiyoweza kurejeshwa katika mzunguko wa kwanza.

Ni pengo gani la uzalishaji katika fasihi lililolengwa?

Kuandaa silikoni katika miundo ya kiini-ganda, yenye mashimo, yenye vinyweleo, kiini cha yai-ganda na nanowaya kunaweza kupunguza mabadiliko ya ujazo. Hata hivyo, mbinu kama uwekaji kwa mvuke wa kemikali, ureduksheni wa magnesiothermiki, kuondoa magnesiamu kwa utupu, mikroemulsheni na uchongaji wa kemikali unaosaidiwa na metali zinaweza kuhitaji vitangulizi vya gharama kubwa, michakato ya hatua nyingi au uoshaji mkali wa kemikali.

Wakati silikoni yenye vinyweleo inapozalishwa kutoka Mg₂Si, magnesiamu inayoondolewa katika mbinu nyingi hutoka kwenye mfumo kama oksidi, halidi au mvuke. Watafiti waliunganisha miitikio ya elektrodi hizo mbili ili kupunguza upotevu huu na kukandamiza kutokea kwa klorini upande wa anodi katika elektrolisisi ya kloridi iliyoyeyuka.

Elektrolisisi iliyooanishwa ina maana gani?

Elektrolisisi iliyooanishwa humaanisha kwamba badala ya anodi na katodi kukamilishana tu kiumeme, bidhaa inayolengwa huzalishwa katika pande zote mbili. Katika utafiti huu, bidhaa ya anodi ni silikoni yenye vinyweleo, huku bidhaa ya katodi ikiwa Mg₂Si inayoweza kutumiwa tena.

Mmenyuko mkuu unaotokea kwenye anodi ni huu:

\[ \mathrm{Mg_2Si \rightarrow Si + 2Mg^{2+} + 4e^-} \]

Katika mmenyuko huu, atomi mbili za magnesiamu ndani ya Mg₂Si hutoka kwenye muundo kama ioni za Mg²⁺. Jumla ya elektroni nne huhamishwa kwenye mzunguko wa nje na kiunzi cha silikoni kilichopangwa upya hubaki. Watafiti wanaeleza mchakato huu kuwa demagnesisheni ya kielektrokemia.

Mmenyuko wa kinyume unaotokea kwenye katodi ni huu:

\[ \mathrm{Si + 2Mg^{2+} + 4e^- \rightarrow Mg_2Si} \]

Mikrosilikoni kwenye katodi hutumia ioni mbili za Mg²⁺ zinazotoka kwenye kiyeyuko na elektroni nne kutoka kwenye mzunguko wa nje kubadilika kuwa Mg₂Si. Bidhaa hii inaweza kutumika kama malighafi ya anodi katika mzunguko unaofuata wa elektrolisisi.

Katika utafiti, mabadiliko ya nishati huru ya Gibbs kwa uundaji wa Mg₂Si wa kikathodi katika 873 K yametolewa kama ΔG = −70,4 kJ mol⁻¹. Thamani hasi inaonyesha kwamba uundaji wa Mg₂Si unafaa chini ya masharti ya thermodinamiki yaliyotumiwa na waandishi. Hesabu ya HSC Chemistry 6.0 ilitoa volteji ya kinadharia ya mtengano wa Mg₂Si katika 650 °C kuwa takriban 0,18 V. Majaribio yalifanywa katika 600 °C na volteji za seli za 1,6–2,2 V. Volteji za majaribio zilizo juu ya thamani ya kinadharia zilichaguliwa ili kukabiliana na overpotential, upotevu wa upinzani wa umeme, kinetiki ya kuondoa Mg²⁺ kutoka kwenye muundo imara na upangaji upya wa kiunzi cha silikoni.

Kwa nini mfumo si mzunguko uliofungwa kabisa bali nusu uliofungwa?

Kwa kuwa mfumo unaweza kuzungusha sehemu ileile ya magnesiamu kati ya anodi na katodi, huunda mzunguko wa nyenzo uliofungwa kwa sehemu. Hata hivyo, mfumo unahitaji kuongezwa mikrosilikoni kutoka nje, kuondolewa kwa bidhaa za elektrodi, kuoshwa kwa maji na matumizi ya 1 M HCl ili kuondoa Mg₂Si iliyobaki katika bidhaa ya anodi. Katika hatua ya upakaji wa kaboni pia zilitumika CTAB, resorsinol, formaldehyde, amonia, maji, ethanoli na matibabu ya halijoto ya juu.

Kwa hiyo, mbinu hii si mfumo wa uzalishaji uliofungwa kabisa ambapo pembejeo zote hurejelewa kwa kuendelea. Neno “self-cycling” lililotumika katika utafiti hasa linamaanisha matumizi ya Mg₂Si inayoundwa tena kwenye katodi kama malighafi ya anodi katika mzunguko unaofuata.

Malighafi ya awali ya Mg₂Si iliandaliwa vipi?

Kwa mzunguko wa kwanza wa elektrolisisi, mikrosilikoni yenye ukubwa wa 7 µm na unga wa magnesiamu wa 150 µm vilitumika. Poda hizo zilichanganywa katika kinu cha mipira cha sayari kwa 400 rpm kwa saa 8, kisha zikakaangwa katika anga ya argon katika 600 °C kwa saa 5 ili kuunda Mg₂Si.

Katika vipimo vya mjongeo wa X-ray, vilele vya 2θ = 28,5°, 31,5° na 32,5° vinavyohusishwa na muundo wa ujazo wa Mg₂Si vilionekana; ishara dhahiri za awamu za awali za Mg au Si hazikuonekana. Watafiti walitafsiri hili kuwa mchanganyiko wa awali ulikuwa umebadilika kuwa Mg₂Si ya awamu moja.

Katika picha za FESEM, chembe za awali za Mg₂Si zinaonekana kama vizuizi visivyo na umbo la kawaida. Katika picha za ukuzaji mkubwa, uso umeelezwa kuwa umekunjamana na una matuta na mifereji ya kiwango cha nanomita.

Mpangilio wa elektrolisisi ya chumvi iliyoyeyuka uliundwaje?

Jumla ya 100 g ya mchanganyiko wa NaCl–KCl–MgCl₂ ilitumika kama elektrolaiti na uwiano wa moli wa Na:K:Mg uliwekwa kuwa 1:1:1. Mchanganyiko wa chumvi ulikaushwa katika 200 °C kwa saa 12 ili kuondoa unyevu.

Malighafi ya anodi ya Mg₂Si ilijazwa kwenye povu la nikeli lenye ukubwa wa 4 × 6 cm, ikawekwa ndani ya kibakuli kidogo cha grafiti chenye mashimo na kuunganishwa na anodi kupitia fimbo ya molybdenum. Mikrosilikoni pia ilijazwa kwenye povu la nikeli la ukubwa huo huo ili kuandaa katodi. Kibakuli kikubwa cha grafiti kilitumika tu kama chombo cha kubeba chumvi iliyoyeyuka na hakikuhusishwa katika muunganisho wa umeme.

Baada ya chumvi kuyeyushwa katika 600 °C, elektrodi ziliingizwa kwa wakati mmoja ndani ya kiyeyuko na volteji thabiti ya 1,6, 1,9 au 2,2 V ikatumika katika majaribio tofauti. Maandishi makuu yaliyopakiwa hayataji kwa uwazi muda kamili wa elektrolisisi. Upungufu huu ni muhimu kwa upande wa uwezo wa kurudia jaribio.

Baada ya elektrolisisi, elektrodi zilitolewa, zikapozwa hadi joto la kawaida na kuoshwa kwa ultrasonic chini ya maji yaliyotolewa ioni ili kuondoa chumvi iliyobaki. Bidhaa ya anodi ilizamishwa katika 1 M HCl ili kuondoa Mg₂Si iliyobaki na kukusanywa kama silikoni iliyoundwa upya. Bidhaa ya katodi ilichukuliwa kama Mg₂Si iliyoundwa tena.

Kwa nini 1,6 V, 1,9 V na 2,2 V ziliunda miundo tofauti?

Volteji iliyotumika ilibadilisha usawa kati ya kasi ya kuondolewa kwa Mg²⁺ na kasi ya upangaji upya wa kiunzi cha silikoni.

• 1,6 V: Bidhaa iliundwa hasa na mikusanyiko mikazo ya punjepunje. Vinyweleo wazi vilibaki vichache na muundo dhahiri wa kihierarkia haukuendelea. Waandishi wanahusisha hili na kuondolewa kwa Mg kubaki hasa kwenye nyuso zinazofikika na ubadilishaji ndani ya wingi kutotosha.
• 1,9 V: Mtandao wazi, uliounganishwa na wa kihierarkia wenye vinyweleo, unaoundwa na nanorodi nyembamba zinazofungamana na lamella, uliundwa. Imependekezwa kwamba usawa unaofaa zaidi ulipatikana kati ya kuondolewa kwa Mg²⁺, mkusanyiko wa nafasi tupu na upangaji upya wa kiunzi cha silikoni.
• 2,2 V: Mmenyuko uliendelea kwa kasi zaidi, lakini maeneo mazito kama sahani yalitokea pamoja na muundo mwembamba wa vijiti. Waandishi walitathmini kwamba demagnesisheni ya haraka kwenye uso iliendelea kwa kasi kuliko usafirishaji wa Mg ndani ya wingi na upangaji upya wa atomiki.

Watafiti wanahusisha uundaji wa nafasi tupu katika 1,9 V na athari ya aina ya Kirkendall. Athari ya Kirkendall ni mkusanyiko wa nafasi tupu unaotokana na vipengele kusogea kwa kasi tofauti. Hata hivyo, utafiti haukupima moja kwa moja kinetiki ya uundaji wa nafasi tupu kwa azimio la muda; kwa hiyo, maelezo haya ni tafsiri ya kimekanika ya waandishi inayotegemea morfolojia.

Picha za hadubini zinaonyesha nini?

Katika picha za FESEM, bidhaa ya 1,6 V inaonekana kuwa nzito na ya punjepunje, bidhaa ya 1,9 V inaonekana kama mtandao wazi wa vijiti vyembamba na lamella, huku bidhaa ya 2,2 V ikionyesha muundo mbaya wa kihierarkia wenye maeneo mazito kama sahani. Ulinganisho huu unaonyesha kwamba volteji ya juu zaidi si lazima izalishe muundo mwembamba zaidi au uliopangwa zaidi.

Maeneo mahususi ya uso ya BET yaliyotokana na adsorpsheni ya nitrojeni ni kama ifuatavyo:

Picha ya TEM inathibitisha mtandao uliolegea wa bidhaa ya 1,9 V unaoundwa na vitengo vyembamba vinavyopishana. Katika picha ya HRTEM, nafasi ya kimiani inayohusishwa na ndege ya (111) ya silikoni ya fuwele imetolewa kuwa 0,313 nm katika maandishi na 0,314 nm katika lebo ya mchoro. Kuonekana kwa pete za (111), (220) na (311) katika muundo wa mjongeo wa elektroni wa eneo teule kunaunga mkono kwamba bidhaa ina muundo wa polikristali.

Matokeo ya XRD, Raman na XPS yalithibitishaje ubadilishaji?

Kutoweka kwa vilele vya Mg₂Si na kuonekana kwa vilele vya silikoni ya fuwele katika muundo wa XRD wa bidhaa ya anodi kunaonyesha kwamba Mg₂Si ilibadilishwa kuwa silikoni.

Katika spektra ya Raman, kilele kikubwa cha silikoni kilionekana karibu 520 cm⁻¹, kipengele kidogo karibu 300 cm⁻¹ na bendi pana karibu 900 cm⁻¹. Hakuna ishara dhahiri ya Raman inayohusishwa na Mg₂Si iliyoripotiwa.

Katika spektra ya XPS, kilele kikuu cha Si–Si kilionekana karibu 99 eV na bega dhaifu linalohusishwa na aina za uso za Si–O–Si karibu 102–103 eV. Matokeo haya yanaonyesha kwamba bidhaa kuu ni silikoni ya elementi, lakini kuna kiasi kidogo cha aina za silikoni zilizooksidishwa kwenye uso.

Uundaji wa Mg₂Si kwenye katodi ulikamilika katika uwiano gani?

Ubadilishaji wa mikrosilikoni kwenye katodi kuwa Mg₂Si ulitathminiwa kwa kubadilisha uwiano wa moli kati ya Mg₂Si ya anodi na malighafi ya Si ya katodi.

• Katika uwiano wa 1:1, silikoni iliyobaki ilionekana katika vipimo vya XRD na Raman.
• Katika uwiano wa 1,1:1, silikoni pia haikutoweka kabisa.
• Katika uwiano wa 1,2:1, hakuna ishara dhahiri ya Si huru iliyoonekana na bidhaa ililingana na Mg₂Si.

Kwa hiyo, uwiano wa moli wa Mg₂Si:Si wa 1,2:1 ulichaguliwa kwa mizunguko iliyofuata. Iliripotiwa kwamba morfolojia na muundo wa fuwele wa Mg₂Si iliyoundwa tena ulifanana na Mg₂Si ya awali.

Elektrodi za betri ziliandaliwaje?

Majaribio ya kielektrokemia yalifanywa katika nusu-seli za kitufe za aina ya CR2032. µ-Si isiyochakatwa ilitumika kama sampuli ya udhibiti; bidhaa za 1,6, 1,9 na 2,2 V ziliunda makundi ya majaribio.

Mchanganyiko wa elektrodi ya kufanya kazi uliandaliwa kwa nyenzo hai ya silikoni, kaboni kondakta ya Super P na kifungamanishi cha alginati ya sodiamu kwa uwiano wa wingi wa 8:1:1 na kupakwa kwenye foili ya shaba. Elektrodi zilikaushwa katika 60 °C chini ya utupu kwa saa 12. Upakiaji wa nyenzo hai umetolewa kuwa takriban 1,0 mg cm⁻².

Seli ziliunganishwa katika sanduku la glavu lililojazwa argon ambapo viwango vya O₂ na H₂O vilihifadhiwa chini ya 0,01 ppm. Foili ya metali ya lithiamu ilitumika kama elektrodi ya kukabiliana na ya marejeo, huku utando wa polipropileni wa Celgard 2400 ukitumika kama kitenganishi. Elektrolaiti ilikuwa na 1 M LiPF₆ na %10 fluoroethylene carbonate kwa wingi katika kiyeyusho chenye uwiano wa ujazo wa EC:DMC wa 1:1. Seli ziliachwa katika joto la kawaida kwa saa 12 kabla ya majaribio.

Majaribio ya galvanostatiki ya chaji-dischaji yalifanywa katika safu ya 0,01–1,5 V. Voltametria ya mzunguko ilifanywa katika safu hiyo hiyo ya potenshali kwa kasi ya skani ya 0,1 mV s⁻¹. Spektroskopia ya impedansi ya kielektrokemia ilifanywa katika safu ya masafa ya 0,01–10⁵ Hz na amplitudo ya 5 mV.

Voltametria ya mzunguko ilionyesha miitikio ipi?

Katika skani ya kwanza ya kikathodi, vilele viwili vya ureduksheni vilionekana karibu 1,49 V na 0,5 V. Hivi vilihusishwa, kwa mpangilio huo, na ureduksheni wa awali wa kiongeza FEC na kiyeyusho EC. Kutoweka kwa vilele hivi katika mizunguko iliyofuata kulitafsiriwa kuwa tabaka la SEI liliundwa katika mzunguko wa kwanza.

Katika mzunguko wa kwanza, kilele kikali cha ureduksheni karibu 0,1 V kilihusishwa na ulithiamishaji wa silikoni ya fuwele kwa namna inayounda LixSi. Katika mizunguko iliyofuata, kipengele hiki kilihamia karibu 0,14 V na kuhusishwa na ulithiamishaji wa silikoni iliyokuwa amorfu wakati wa mzunguko.

Vilele vya karibu 0,36 na 0,55 V katika mwelekeo wa kianodi vinawakilisha uondoaji wa lithiamu kutoka LixSi kwa hatua. Kuongezeka kwa mkondo wa kilele kadiri mizunguko ilivyoendelea kulielezwa kwa uanzishaji wa taratibu wa silikoni na kuimarika kwa mwitikio wa kielektrokemia wa awamu ya LixSi.

Ufanisi wa awali wa Coulomb ulibadilikaje?

Ufanisi wa awali wa Coulomb (initial Coulombic efficiency, ICE) huonyesha ni kiasi gani cha uwezo uliotolewa wakati wa ulithiamishaji wa kwanza kinaweza kupatikana tena wakati wa uondoaji wa lithiamu wa kwanza. ICE ya juu inaonyesha kwamba lithiamu kidogo zaidi ilipotea kwa uundaji wa SEI na michakato mingine isiyoweza kurejeshwa katika mzunguko wa kwanza.

ICE ya juu zaidi ilipatikana katika bidhaa ya 1,9 V. Waandishi wanahusisha ongezeko hili na vinyweleo wazi kutoa nafasi ya bafa kwa mabadiliko ya ujazo, kupunguza mkazo wa ndani na kurahisisha ufikivu wa elektrolaiti na ioni za lithiamu ndani ya muundo.

Matokeo ya uimara wa mizunguko 100 yalionyesha nini?

Elektrodi ziliamilishwa kwanza kwa mizunguko mitatu katika msongamano wa mkondo wa 0,2 A g⁻¹, kisha zikazungushwa katika 0,5 A g⁻¹. Baada ya uamilishaji, uwezo wa bidhaa za 1,6, 1,9 na 2,2 V uliripotiwa kuwa 1989,1; 2424,3 na 2418,8 mAh g⁻¹, kwa mpangilio huo.

Uhifadhi wa uwezo baada ya mizunguko 100:

• %78,2 kwa Si-1,6 V,
• %91,9 kwa Si-1,9 V,
• %86,9 kwa Si-2,2 V.

µ-Si isiyochakatwa ilionyesha upotevu wa haraka wa uwezo katika grafu. Hata hivyo, maandishi makuu hayakutoa kwa nambari uwezo halisi wa sampuli ya udhibiti katika mzunguko wa 100.; kwa hiyo, thamani kamili haipaswi kubuniwa kutoka kwenye grafu.

Utendaji wa mzunguko wa muda mrefu ni upi?

Elektrodi ya Si-1,9 V, iliyobainishwa kuwa sampuli bora, ilijaribiwa kwa mizunguko 500 katika msongamano wa mkondo wa 2 A g⁻¹ baada ya mizunguko mitatu ya awali ya uamilishaji kwa mkondo mdogo. Maandishi makuu na muhtasari yanatoa uwezo wa mzunguko wa 500. kuwa 1599 mAh g⁻¹ na uhifadhi wa uwezo kuwa %87,9.

Katika sehemu ya hitimisho ya utafiti, uwezo huo huo umeandikwa kama 1597,5 mAh g⁻¹. Tofauti hii ndogo ni kutokuwiana kwa nambari ambako hakujatatuliwa ndani ya chanzo; katika maudhui, thamani ya 1599 mAh g⁻¹ kutoka sehemu ya matokeo makuu imetumiwa, huku tofauti hiyo ikihifadhiwa katika maelezo ya chanzo.

Utendaji katika mkondo mkubwa ukoje?

Uwezo unaoweza kurejeshwa wa elektrodi ya Si-1,9 V katika misongamano inayoongezeka ya mkondo ni kama ifuatavyo:

Kupungua kwa uwezo kadiri msongamano wa mkondo unavyoongezeka ni mwenendo unaotarajiwa; ioni na elektroni huwa na muda mfupi zaidi wa kukamilisha mmenyuko. Kuundwa kwa njia fupi za ioni za lithiamu na mtandao endelevu wa usafirishaji na muundo wa vijiti wenye vinyweleo kumehusishwa na kuhifadhi uwezo katika mkondo mkubwa.

Je, Mg₂Si iliyoundwa tena kweli iliweza kutumiwa tena?

Mg₂Si iliyoundwa kwenye katodi katika mzunguko wa kwanza ilitumika kama malighafi ya anodi katika jaribio la pili la elektrolisisi katika 1,9 V. Bidhaa iliyopatikana iliitwa re-Si-1,9 V na kulinganishwa na Si-1,9 V iliyozalishwa kutoka Mg₂Si iliyosanisiwa mwanzoni.

Matokeo yaliyoripotiwa kwa Re-Si-1,9 V:

• Ufanisi wa awali wa Coulomb: %85,6,
• Uwezo unaoweza kurejeshwa katika 0,2 A g⁻¹: 2486,5 mAh g⁻¹,
• Uwezo baada ya mizunguko 500 katika 2 A g⁻¹: 1514,5 mAh g⁻¹,
• Uhifadhi wa uwezo baada ya mizunguko 500: %84,3,
• Uwezo katika 8 A g⁻¹: 785 mAh g⁻¹.

Thamani hizi zinaonyesha kwamba Mg₂Si iliyoundwa tena iliweza kutumiwa angalau katika mzunguko mmoja unaofuata wa elektrolisisi. Hata hivyo, utafiti haukutathmini idadi kubwa ya mizunguko mfululizo ya uzalishaji, upotevu wa magnesiamu katika kila mzunguko, mkusanyiko wa uchafu, mabadiliko ya muundo wa chumvi au uthabiti wa muda mrefu wa mavuno ya bidhaa. Kwa hiyo, matokeo haya si ushahidi wa mzunguko wa kujirudia usio na kikomo na usio na hasara.

Matokeo ya impedansi yalionyesha nini kuhusu usafirishaji wa ioni?

Spektroskopia ya impedansi ya kielektrokemia ilitumika baada ya mizunguko 10 katika 0,5 A g⁻¹. Mfano wa mzunguko sawia unajumuisha upinzani wa suluhisho, upinzani wa tabaka la SEI, upinzani wa uhamishaji chaji na vipengele vya awamu thabiti.

Elektrodi ya Si-1,9 V ilionyesha upinzani mdogo wa SEI na wa uhamishaji chaji kuliko µ-Si isiyochakatwa. Koeffisienti ya usambaaji wa ioni za lithiamu iliyoripotiwa iliongezeka kwa takriban daraja moja la ukubwa. Ingawa thamani ya D_Li+ iliyohesabiwa kwa Si-2,2 V ilikuwa juu kidogo, sampuli ya 1,9 V ilichaguliwa kama optimum ya jumla kwa sababu ya upinzani mdogo wa kiolesura, morfolojia nyembamba zaidi ya vijiti na pembejeo ndogo ya nishati.

Milinganyo ya kina iliyotumiwa kukokotoa koeffisienti za usambaaji imeelekezwa kwenye milinganyo S1 na S2 katika faili ya taarifa za ziada; maandishi makuu yaliyopakiwa hayana utoaji kamili wa milinganyo hii. Kwa hiyo, hesabu haiwezi kuthibitishwa tena kwa ukamilifu na kwa kujitegemea.

Upakaji wa kaboni uliandaliwaje?

Si yenye vinyweleo iliyozalishwa katika 1,9 V ilitawanywa katika mchanganyiko wa maji-ethanoli wenye CTAB, resorsinol na suluhisho la formaldehyde la %37; amonia ilitumika kama kichocheo. Mchanganyiko ulikorogwa katika 35 °C kwa saa 6, ukaachwa kuzeeka kwa saa 12, na bidhaa iliyofunikwa resorsinol-formaldehyde ikakusanywa. Bidhaa ilikaangwa katika anga ya argon katika 700 °C ili kupata Si-1,9 V@C.

Picha ya HRTEM inaonyesha tabaka endelevu la kaboni amorfu lenye unene wa takriban 5 nm juu ya uso wa silikoni. Katika ramani za elementi, Si, O na C zilionekana pamoja; iliripotiwa kwamba kaboni ilisambaa kwenye kiunzi cha silikoni. Katika spektra ya Raman, pamoja na kilele cha silikoni karibu 520 cm⁻¹, bendi D isiyo na mpangilio ya kaboni ilionekana karibu 1350 cm⁻¹ na bendi G ya grafiti karibu 1580 cm⁻¹.

Upakaji wa kaboni ulibadilisha utendaji kwa kiwango gani?

Elektrodi ya Si-1,9 V@C ilionyesha uwezo wa chaji wa 2479,7 mAh g⁻¹ na ICE ya %86,4 katika mzunguko wa kwanza. Katika msongamano wa mkondo wa 8 A g⁻¹, uwezo wa 923 mAh g⁻¹ ulipatikana; thamani hii ni kubwa kuliko 791,8 mAh g⁻¹ iliyoripotiwa kwa Si-1,9 V isiyofunikwa.

Baada ya mizunguko 500 katika msongamano wa mkondo wa 3 A g⁻¹:

• Uwezo wa Si-1,9 V@C ulikuwa 1563,2 mAh g⁻¹,
• Uhifadhi wa uwezo wa Si-1,9 V@C ulikuwa %88,6,
• Kwenye mchoro, uhifadhi wa uwezo wa Si-1,9 V isiyofunikwa umeonyeshwa kuwa %75,5.

Waandishi wanatathmini kwamba tabaka la kaboni hurahisisha upitishaji wa elektroni, hupunguza miitikio ya pembeni na elektrolaiti, na hulinda tabaka la SEI. Kiunzi cha silikoni chenye vinyweleo hutoa nafasi ya kimwili kwa mabadiliko ya ujazo. Utafiti unapendekeza kwamba athari hizi mbili kwa pamoja huboresha utendaji.

Ni zipi nguvu kuu za utafiti?

• Umeonyesha muundo wa elektrolisisi iliyooanishwa unaobadilisha miitikio ya anodi na katodi kuwa bidhaa zenye thamani ndani ya mzunguko mmoja wa uzalishaji.
• Umetoa uthibitisho wa mbinu nyingi wa ubadilishaji wa Mg₂Si kuwa silikoni kwa XRD, Raman na XPS, na wa morfolojia kwa FESEM, TEM, HRTEM na SAED.
• Umeilinganisha athari ya volteji ya elektrolisisi kwenye muundo katika masharti ya 1,6, 1,9 na 2,2 V.
• Umetumia mikrosilikoni isiyochakatwa kama udhibiti.
• Umeanzisha uhusiano unaolingana wa muundo–utendaji kati ya vinyweleo, eneo la uso, utendaji wa kielektrokemia na matokeo ya impedansi.
• Umetoa ushahidi wa majaribio kwa dhana ya mzunguko tena kwa kutumia kweli Mg₂Si iliyoundwa upya kwenye katodi katika mzunguko unaofuata wa elektrolisisi.
• Umetathmini utendaji wa mkondo mkubwa na mizunguko 500 wa silikoni isiyofunikwa na iliyofunikwa kaboni.
• Umechunguza kwa HRTEM na ramani za elementi kwamba upakaji wa kaboni hauharibu muundo.

Ni yapi mapungufu makuu ya utafiti?

• Utafiti ni preprint ambayo haijapitiwa na wahakiki wenza.
• Muda kamili wa elektrolisisi haujaripotiwa kwa uwazi katika sehemu kuu ya majaribio.
• Haijaelezwa ni seli huru au makundi mangapi ya nyenzo yaliyotumika katika kila sharti la kielektrokemia.
• Grafu za uwezo hazijaonyesha mkengeuko sanifu, muda wa kujiamini au utofauti kati ya seli.
• Hakuna jaribio la umuhimu wa kitakwimu au thamani ya p iliyoripotiwa kati ya makundi.
• Majaribio yalifanywa katika nusu-seli zenye elektrodi pinzani ya lithiamu ya metali na kwa upakiaji hai wa takriban 1,0 mg cm⁻².
• Hakuna jaribio la seli kamili lenye katodi ya kibiashara, stack au kiwango cha pakiti.
• Uzalishaji unaojirudia ulionyeshwa tu kwa kutumia tena Mg₂Si iliyopatikana kwenye katodi katika mzunguko unaofuata; idadi kubwa ya mizunguko ya uzalishaji haikuchunguzwa.
• Mavuno ya bidhaa, ufanisi wa mkondo, ufanisi wa Faraday, mizania ya wingi wa magnesiamu na upotevu wa nyenzo kwa kila mzunguko haujaripotiwa.
• Ingawa imependekezwa kwamba gesi ya klorini imekandamizwa, hakuna kipimo cha moja kwa moja cha klorini au uchanganuzi wa gesi uliowasilishwa.
• Idadi ya matumizi tena ya chumvi iliyoyeyuka na mkusanyiko wa uchafu havijatathminiwa.
• Mzigo wa taka wa kemikali zinazotumika katika uoshaji kwa 1 M HCl na upakaji wa kaboni haujapimwa.
• Matumizi ya nishati ya matibabu ya joto ya 600–700 °C hayajakokotolewa.
• Hakuna tathmini ya mzunguko wa maisha, uchambuzi wa kiteknolojia-kiuchumi au uzalishaji wa kiwango cha majaribio uliofanywa.
• Maelezo ya “endelevu”, “gharama nafuu” na “yanayoweza kupanuliwa kwa kiwango” hayajathibitishwa moja kwa moja kwa data za gharama, nishati na athari za mazingira.
• Chanzo kina baadhi ya kutokuwiana kwa nambari, michoro na uandishi wa miitikio.

Utafiti unaunga mkono nini?

Utafiti unaunga mkono kwamba Mg₂Si inaweza kubadilishwa kielektrokemia kuwa silikoni yenye vinyweleo ndani ya chumvi iliyoyeyuka ya NaCl–KCl–MgCl₂. Muundo wa kihierarkia wa vijiti na lamella ulioundwa katika volteji inayofaa uliambatana na ufanisi mkubwa zaidi wa mzunguko wa kwanza, upinzani mdogo wa kiolesura, usafirishaji wa haraka zaidi wa ioni za lithiamu na uthabiti bora wa mzunguko kuliko mikrosilikoni isiyochakatwa.

Utafiti pia unaonyesha kwamba Mg₂Si iliyozalishwa kwenye katodi inaweza kutumiwa kama malighafi ya anodi angalau katika mzunguko mmoja unaofuata wa elektrolisisi na inaweza kuzalisha silikoni yenye vinyweleo yenye utendaji unaofanana.

Utafiti hauthibitishi nini?

Utafiti hauthibitishi kwamba mbinu ni ya kiuchumi katika kiwango cha viwanda, kwamba magnesiamu inaweza kuzungushwa tena bila hasara na bila kikomo, au kwamba utoaji wa klorini umeondolewa kabisa. Uzalishaji wa mizunguko mingi, kiwanda cha majaribio, mizania kamili ya nyenzo na kipimo cha utoaji havijafanywa.

Thamani za uwezo mahususi katika nusu-seli hazimaanishi kwamba utendaji huohuo utapatikana katika seli kamili za kibiashara, elektrodi nene zenye uwezo mkubwa wa eneo au pakiti za betri. Utafiti hautoi data za msongamano wa nishati katika kiwango cha seli, maisha ya kalenda, usalama wa kuchaji haraka, kuvimba, kutokea kwa gesi au uhifadhi wa muda mrefu.

Ingawa upakaji wa kaboni ulitoa utendaji bora wa mzunguko, haijatathminiwa ikiwa upakaji huo unapunguza gharama za uzalishaji, matumizi ya nishati na mzigo wa mazingira.

Umuhimu wake ni upi kwa mtazamo wa zamani, sasa na baadaye?

Kwa mtazamo wa zamani: Uwezo mkubwa wa silikoni umejulikana kwa muda mrefu, lakini mabadiliko ya ujazo na ugumu wa uzalishaji vimezuia matumizi. Katika ubadilishaji wa awali unaotegemea Mg₂Si, magnesiamu mara nyingi iliondolewa kama bidhaa ya pembeni isiyoweza kurejeshwa au kama mvuke.

Mchango wa sasa: Utafiti huu umeunganisha uhandisi wa muundo na mzunguko tena wa nyenzo katika seli moja ya elektrolisisi. Imeonyeshwa kwamba volteji ya 1,9 V hutoa usawa bora wa majaribio kwa muundo mwembamba, wenye vinyweleo na uliounganishwa wa silikoni.

Kwa mtazamo wa baadaye: Thamani halisi ya uzalishaji ya mbinu inaweza kubainishwa kwa mizunguko mingi endelevu ya elektrolisisi, mavuno makubwa ya bidhaa, seli kamili zenye upakiaji mkubwa wa eneo, uthabiti wa muda mrefu wa chumvi iliyoyeyuka, kipimo cha moja kwa moja cha klorini, muundo wa mchakato endelevu na tathmini ya mzunguko wa maisha. Ikiwa uthibitishaji huu utafanywa, mbinu inaweza kuwa mkabala wa mzunguko tena wa kielektrokemia unaopunguza upotevu wa nyenzo katika uzalishaji wa anodi za silikoni.

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

Muhtasari wa kiufundi wa mbinu ya majaribio

Masharti ya majaribio ya kielektrokemia

Matokeo makuu ya kielektrokemia

Kutokuwiana kwa uhariri ndani ya chanzo

Miitikio mikuu ya elektrodi imetolewa katika umbo la elektroni nne ambalo linaendana na mizania ya chaji na atomi. Kwa kuwa usemi wa elektroni mbili na ioni moja ya Mg²⁺ katika paragrafu ya matumizi tena haulingani na mmenyuko mkuu, haujasahihishwa kimya kimya; umeonyeshwa hapa kama kutokuwiana ndani ya chanzo.

Maelezo ya Chanzo na Mbinu

Jina kamili la asili la utafiti: Self-Cycling Fabrication of High-Performance Silicon Anodes via Reversible Mg2Si/Si Conversion in Molten-Salt Paired Electrolysis

Waandishi, kwa mpangilio sahihi: Xiaoyu Zhao; Juan Liu; Jian Liu; Wenhao Chen; Ya Zheng; Jingwei Hu; Yongzhi Wang; Xiaocheng Li.

Mwandishi mwenza wa kwanza au mchango sawa: Maandishi hayana tamko la uandishi mwenza wa kwanza au mchango sawa.

Mwandishi anayewasiliana: Xiaocheng Li — xiaocheng_li@jxust.edu.cn.

Mahusiano ya taasisi:

• Xiaoyu Zhao, Wenhao Chen, Ya Zheng, Jingwei Hu, Yongzhi Wang na Xiaocheng Li: Jiangxi Provincial Key Laboratory of Power Batteries & Energy Storage Materials, School of Materials Science and Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou, Jiangxi, China.
• Juan Liu: Jiangxi Province Key Laboratory of Mining Engineering, School of Resources and Environmental Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou, Jiangxi, China.
• Jian Liu: Farasis Energy (Ganzhou) New Energy Co., Ltd., Ganzhou, Jiangxi, China.

DOI:10.2139/ssrn.7201057

Nambari ya usajili ya SSRN: 7201057.

Jarida: Jina la jarida lililopitiwa na wahakiki wenza au toleo la mwisho la jarida lililochapishwa halijathibitishwa.

Jukwaa la uchapishaji: SSRN.

Mwendeshaji wa jukwaa: Elsevier.

Mwaka wa uchapishaji: 2026.

Tarehe ya kupakiwa kwenye SSRN: 29 Julai 2026.

Aina ya chanzo: Utafiti wa majaribio wa nyenzo za betri na preprint.

Hali ya uhakiki wa wenza: Utafiti huu ni preprint ambayo haijapitiwa na wahakiki wenza; matokeo yanapaswa kusomwa kwa kuzingatia kizuizi hiki.

Kiungo rasmi cha chanzo:Rekodi ya utafiti ya SSRN

Mgongano wa maslahi: Waandishi waliripoti kwamba hakuna maslahi ya kifedha yanayojulikana au uhusiano binafsi unaoweza kuathiri utafiti.

Ufadhili: Utafiti umetaja ufadhili wa Jiangxi Province Natural Science Foundation wenye nambari 20252BAC250041, 20232BAB21404, 20232BAB213048 na 20242BAB20178; ufadhili wa Ganzhou Science & Technology Program wenye nambari 2023PGX16978; ufadhili wa National Natural Science Foundation of China wenye nambari 51862013 na mfuko wazi wa Jiangxi Provincial Key Laboratory of Power Batteries & Energy Storage Materials wenye nambari 2024SSY10011. Jukwaa la kompyuta yenye utendaji wa juu la Jiangxi University of Science and Technology pia limetambuliwa kwa shukrani.

Maelezo haya ya Kituruki yameandaliwa kwa kuzingatia maandishi makuu, mbinu ya majaribio, miitikio ya elektrodi, majedwali, spektra za XRD, Raman na XPS, picha za FESEM na TEM, mikunjo ya BET, voltametria ya mzunguko, grafu za chaji-dischaji, vipimo vya impedansi na matokeo ya utafiti uliopakiwa. Hakuna matokeo ya kisayansi, madai ya mafanikio ya kibiashara au mahitimisho ya kiwango cha viwanda ambayo hayapo katika utafiti yaliyoongezwa. Vyanzo vya nje vilitumika tu kwa uthibitishaji wa kibiblia wa DOI, tarehe ya SSRN, jukwaa na hali ya uchapishaji.

Mapungufu makuu ya utafiti ni kutokuwepo kwa uhakiki wa wenza, muda wa elektrolisisi kutotolewa wazi, marudio huru na mgawanyo wa makosa kutoripotiwa, majaribio kuwekewa mipaka kwenye nusu-seli za lithiamu zenye upakiaji mdogo wa nyenzo hai, kutokuwepo kwa jaribio la seli kamili, mzunguko tena wa Mg₂Si kuonyeshwa tu katika mzunguko mmoja unaofuata wa uzalishaji, kutokupimwa moja kwa moja kwa utoaji wa klorini, mavuno ya bidhaa na ufanisi wa nishati kutoripotiwa, na kutofanywa kwa uchambuzi wa kuongeza kiwango, mzunguko wa maisha na gharama.

Chanzo kina kutokuwiana kwa uhariri kuhusu uwezo wa mizunguko 500, nafasi ya kimiani ya HRTEM, mmenyuko wa matumizi tena na rejeo la jedwali la EIS. Tofauti hizi hazikufichwa wakati wa kuandaa maudhui ya kisayansi na zimeelezwa wazi katika sehemu husika.

Utafiti hauthibitishi kwamba mbinu iliyopendekezwa iko tayari kwa uzalishaji wa betri wa kibiashara, kwamba itatoa idadi isiyo na kikomo ya mizunguko iliyofungwa, kwamba itaondoa kabisa uundaji wa klorini, au kwamba itaonyesha utendaji huohuo katika betri za magari ya umeme. Madai haya yanahitaji uzalishaji wa kiwango cha majaribio, mizania ya nyenzo katika mizunguko mingi, seli kamili, elektrodi zenye upakiaji mkubwa, na majaribio ya usalama, gharama na athari za mazingira.