Ин таҳқиқот истеҳсоли анодҳои ковокии силисийро барои истифода дар батареяҳои литий-ионӣ бо усули электролизи ҷуфтшуда, ки ба табдили баръакспазири Mg₂Si/Si дар намаки гудохтаи NaCl–KCl–MgCl₂ асос ёфтааст, омӯхтааст. Дар ҳоле ки Mg₂Si дар тарафи анод аз магний ҷудо шуда, ба силисийи ковокии иерархӣ табдил ёфтааст, силисийи андозаи микрометрӣ дар катод дубора ба Mg₂Si табдил дода шуда, дар даври минбаъдаи истеҳсол ҳамчун ашёи хоми анод истифода шудааст. Шароити оптималӣ ҳамчун таносуби молии Mg₂Si:Si ба андозаи 1,2:1 ва шиддати ҳуҷайра 1,9 V муайян шудааст. Аноди силисийи дар ин шароит истеҳсолшуда самаранокии ибтидоии Coulomb %86,2, иқтидори баръакспазири 1599 mAh g⁻¹ пас аз 500 давр дар зичии ҷараёни 2 A g⁻¹ ва нигоҳдории иқтидор %87,9 нишон додааст. Бо вуҷуди ин, натиҷаҳо ба нимҳуҷайраҳои дорои литийи металлӣ бо боркунии моддаи фаъоли тақрибан 1,0 mg cm⁻², шумораи маҳдуди даврҳои истифодаи такрорӣ ва препринте такя мекунанд, ки аз арзёбии ҳамтоён нагузаштааст.

Навгонии асосии таҳқиқот дар он аст, ки ду электроди ҳуҷайраи электролиз ҳамзамон ҳамчун системае истифода мешаванд, ки маводи арзишманд истеҳсол мекунад. Дар ҳоле ки дар электролизи анъанавии гудохтаи хлорид дар тарафи анод ташаккули хлор имконпазир аст, дар ин тарҳ демагнезатсияи электрохимиявии Mg₂Si ҳамчун реаксияи анодӣ истифода шудааст. Ҳангоми истеҳсоли силисийи ковок дар анод, ионҳои озодшудаи Mg²⁺ ба катод интиқол ёфта, дар он ҷо бо микросилисий дубора Mg₂Si ҳосил мекунанд. Ҳамин тавр, ҷузъи магний ба ҷойи пурра аз система хориҷ шудан ба даври навбатӣ гузаронда мешавад.

Силисийи дар 1,9 V бадастомада сохтори кушодаи ковок аз чӯбчаҳои борик ва ламеллаҳои ба ҳам печида ташкилшударо нишон додааст. Ин сохтор барои тағйирёбии бузурги ҳаҷм, ки силисий ҳангоми гирифтан ва баровардани литий аз сар мегузаронад, фазои холӣ фароҳам оварда, роҳҳои интиқоли ионҳоро кӯтоҳ ва дастрасии электролитро зиёд мекунад. Масоҳати хоси сатҳ аз 11,46 m² g⁻¹ дар микросилисийи коркарднашуда то 56,23 m² g⁻¹ дар маҳсулоти 1,9 V зиёд шудааст. Натиҷаҳои импеданси электрохимиявӣ низ нишон доданд, ки дар ҳамин намуна муқовиматҳои байнисарҳадӣ ва интиқоли заряд ба таври назаррас кам шудаанд.

Вақте ки ба силисийи аз нав ҳосилшуда қабати карбонии аморфии ғафсиаш тақрибан 5 nm пӯшонда шуд, самаранокии ибтидоии Coulomb ба %86,4 расид. Аноди бо карбон пӯшондашуда дар зичии ҷараёни 3 A g⁻¹ пас аз 500 давр иқтидори 1563,2 mAh g⁻¹ ва нигоҳдории иқтидор %88,6-ро нигоҳ дошт; дар зичии ҷараёни 8 A g⁻¹ бошад, 923 mAh g⁻¹ дод. Гарчанде ки қабати карбон шабакаи ноқил ва муҳофизати сатҳро таъмин кардааст, он моддаҳои кимиёвии иловагӣ, коркарди гармии 700 °C ва марҳилаҳои иловагии истеҳсолро талаб кардааст.

Арзёбӣ аз нигоҳи Туркия: Таҳқиқот технологияи батареяеро пешниҳод намекунад, ки дар миқёси истеҳсолӣ дар Туркия татбиқ шуда бошад. Аммо он усулеро нишон медиҳад, ки аз ҷиҳати истеҳсоли аноди силисий, гардиши дубораи маводи муҳим, маводи батареяи маҳаллӣ ва электрохимияи ҳарорати баланд метавонад мавриди таҳқиқ қарор гирад. Барои арзёбии татбиқпазирӣ дар Туркия боркуниҳои баландтари электрод, ҳуҷайраҳои пурра, шумораи зиёди даврҳои истеҳсол, масрафи энергия, тавозуни массаи магний ва намак, ченкунии мустақими партоби хлор, партовҳои кислота ва шустан, таҳлили хароҷот ва озмоишҳои истеҳсолии миқёси пилотӣ заруранд. Ин таҳқиқот далели миқёси тиҷоратӣ, арзиши истеҳсоли маҳаллӣ ё муваффақияти тасдиқшуда дар батареяҳои нақлиёти барқиро пешниҳод намекунад.

Саволи асосии таҳқиқот чист?

Саволи асосии таҳқиқот ин аст, ки оё анодҳои силисийии иқтидорашон баланд, вале аз ҷиҳати механикӣ ноустуворро ҳам дар сохтори ковок ва устувор истеҳсол кардан ва ҳам ҷузъи магнийи дар истеҳсол истифодашударо ба гардиши дубора ворид намудан мумкин аст. Муҳаққиқон санҷидаанд, ки оё даври электролизе, ки дар он Mg₂Si дар тарафи анод ба силисий ва микросилисий дар тарафи катод дубора ба Mg₂Si табдил меёбад, метавонад ин ду ҳадафро ҳамзамон таъмин кунад.

Фарзияи таҳқиқот чунин буд, ки хориҷ кардани ионҳои магний аз Mg₂Si дар шиддати мувофиқи ҳуҷайра ба ҷойи пурра вайрон кардани скелети силисий, онро ба шакли ковок ва иерархӣ бозсозӣ мекунад. Ҳамзамон пешбинӣ шудааст, ки Mg₂Si-и дар катод ҳосилшуда ба даври навбатӣ гузаронда шуда, зарурати такрори синтези ибтидоии Mg₂Si дар ҳар давр аз байн меравад.

Мушкилоти асосии анодҳои силисийӣ чист?

Иқтидори хоси назариявии силисий тақрибан 3579 mAh g⁻¹, иқтидори назариявии графити тиҷоратӣ бошад тақрибан 372 mAh g⁻¹ дода шудааст. Ин иқтидори баланд силисийро барои батареяҳои насли нав ҷолиб мегардонад. Аммо ҳангоми ташаккули хӯла бо литий ҳаҷми силисий метавонад то тақрибан %300 тағйир ёбад.

Ин тағйирёбии бузурги ҳаҷм метавонад боиси кафидан ва майда шудани зарраҳо, аз даст рафтани тамоси барқӣ байни моддаи фаъол ва коллектори ҷараён ва пайваста шикастаю аз нав ҳосил шудани сарҳади электролити сахт гардад. Сарҳади электролити сахт (solid-electrolyte interphase, SEI) қабатест, ки дар сатҳи анод дар натиҷаи коҳиши электролит дар даврҳои аввал ҳосил мешавад. Вақте устувор аст, метавонад электродро муҳофизат кунад; вақте пайваста мешиканад, бо сарфи электролит ва литийи нав талафи иқтидорро зиёд мекунад.

Аз зарраҳои зич ва калон иборат будани силисий инчунин метавонад масофаеро, ки ионҳои литий бояд дар дохили сохтор тай кунанд, дароз намояд. Ин ҳолат метавонад ба кам шудани иқтидор дар зичиҳои баланди ҷараён ва зиёд шудани сарфи барнагаштании литий дар даври аввал мусоидат кунад.

Дар адабиёт кадом холигии истеҳсолӣ ҳадаф қарор дода шудааст?

Омода кардани силисий дар сохторҳои ядро-қабат, холӣ, ковок, зардии тухм-қабат ва наносим метавонад тағйирёбии ҳаҷмро кам кунад. Бо вуҷуди ин, усулҳое чун таҳшиндиҳии буғи кимиёвӣ, барқароркунии магнезиотермӣ, хориҷ кардани магний дар вакуум, микроэмулсия ва хӯрдашавии кимиёвии бо металл дастгиришаванда метавонанд прекурсорҳои гарон, равандҳои бисёрмарҳила ё шустанҳои кимиёвии қавиро талаб кунанд.

Ҳангоми истеҳсоли силисийи ковок аз Mg₂Si, магнийи хориҷшуда дар аксари усулҳо дар шакли оксид, галогенид ё буғ аз система хориҷ мешавад. Муҳаққиқон барои кам кардани ин талафот ва фурӯ нишондани эҳтимоли ҷудошавии хлор дар тарафи анод дар электролизи хлориди гудохта ду реаксияи электродиро ба ҳам пайвастанд.

Электролизи ҷуфтшуда чӣ маъно дорад?

Электролизи ҷуфтшуда маънои онро дорад, ки анод ва катод на танҳо аз ҷиҳати барқӣ якдигарро пурра мекунанд, балки дар ҳар ду тараф маҳсулоти мақсаднок ҳосил мешавад. Дар ин таҳқиқот маҳсулоти анод силисийи ковок ва маҳсулоти катод Mg₂Si-и қобили истифодаи такрорист.

Реаксияи асосии дар анод рухдиҳанда чунин аст:

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

Дар ин реаксия ду атоми магнийи дохили Mg₂Si ҳамчун ионҳои Mg²⁺ аз сохтор ҷудо мешаванд. Дар маҷмӯъ чор электрон ба занҷири беруна мегузарад ва скелети аз нав тартибёфтаи силисий боқӣ мемонад. Муҳаққиқон ин равандро демагнезатсияи электрохимиявӣ меноманд.

Реаксияи баръакси дар катод рухдиҳанда чунин аст:

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

Микросилисийи катод бо истифода аз ду иони Mg²⁺ аз гудохта ва чор электрон аз занҷири беруна ба Mg₂Si табдил меёбад. Ин маҳсулот метавонад дар даври минбаъдаи электролиз ҳамчун ашёи хоми анод истифода шавад.

Дар таҳқиқот тағйирёбии энергияи озоди Gibbs барои ташаккули катодии Mg₂Si дар 873 K ҳамчун ΔG = −70,4 kJ mol⁻¹ дода шудааст. Қимати манфӣ нишон медиҳад, ки дар шароити термодинамикии истифодакардаи муаллифон ташаккули Mg₂Si мусоид аст. Ҳисоби HSC Chemistry 6.0 шиддати назариявии таҷзияи Mg₂Si-ро дар 650 °C тақрибан 0,18 V нишон додааст. Озмоишҳо бошад дар 600 °C ва шиддатҳои ҳуҷайраи 1,6–2,2 V гузаронида шудаанд. Шиддатҳои таҷрибавии аз қимати назариявӣ баландтар барои ҷуброни изофапотенсиалҳо, талафоти муқовимати барқӣ, кинетикаи хориҷ кардани Mg²⁺ аз сохтори сахт ва бозсозии скелети силисий интихоб шудаанд.

Чаро система пурра пӯшида нест, балки даври нимпӯшида аст?

Азбаски система метавонад ҳамон ҷузъи магнийро байни анод ва катод гардонад, он даври нимпӯшидаи маводро ташкил медиҳад. Аммо система ба илова кардани микросилисий аз берун, хориҷ кардани маҳсулоти электрод, шустан бо об ва истифодаи 1 M HCl барои хориҷ кардани Mg₂Si-и боқимонда аз маҳсулоти анодӣ ниёз дорад. Дар марҳилаи рӯйпӯшкунии карбон низ CTAB, резорсинол, формалдегид, аммиак, об, этанол ва коркарди ҳарорати баланд истифода шудаанд.

Аз ин рӯ, усул системаи истеҳсолии комилан пӯшидае нест, ки дар он ҳамаи воридот пайваста дубора коркард шаванд. Ибораи “self-cycling”, ки дар таҳқиқот истифода шудааст, махсусан ба истифодаи Mg₂Si-и дар катод дубора ҳосилшуда ҳамчун ашёи хоми анод дар даври минбаъда ишора мекунад.

Ашёи хоми ибтидоии Mg₂Si чӣ гуна омода шудааст?

Барои даври аввали электролиз микросилисийи андозаи 7 µm ва хокаи магнийи 150 µm истифода шудааст. Хокаҳо дар осиёби сайёравии шарикдор бо 400 rpm дар давоми 8 соат омехта шуда, сипас дар атмосфераи аргон дар 600 °C барои 5 соат тавонида шуда, Mg₂Si ҳосил шудааст.

Дар ченкуниҳои дифраксияи рентгенӣ қуллаҳои 2θ = 28,5°, 31,5° ва 32,5°, ки ба сохтори кубии Mg₂Si тааллуқ доранд, мушоҳида шуданд; сигналҳои равшани марбут ба фазаҳои ибтидоии Mg ё Si дида нашуданд. Муҳаққиқон инро ҳамчун табдил ёфтани омехтаи ибтидоӣ ба Mg₂Si-и якфазавӣ шарҳ додаанд.

Дар тасвирҳои FESEM зарраҳои ибтидоии Mg₂Si дар шакли блокҳои номунтазам дида мешаванд. Дар тасвирҳои калоннамоии баланд зикр шудааст, ки сатҳ чиндор буда, барҷастагиҳо ва ҷӯякҳои андозаи нанометрӣ дорад.

Дастгоҳи электролизи намаки гудохта чӣ гуна ташкил шудааст?

Ҳамчун электролит дар маҷмӯъ 100 g омехтаи NaCl–KCl–MgCl₂ истифода шуда, таносуби молии Na:K:Mg ба 1:1:1 танзим шудааст. Омехтаи намак барои хориҷ кардани намӣ дар 200 °C дар давоми 12 соат хушк карда шудааст.

Ашёи хоми анодии Mg₂Si ба кафки никелии андозаи 4 × 6 cm пур карда шуда, дар дегчаи хурди графитии сӯрохдор ҷойгир ва тавассути чӯби молибден ба анод пайваст карда шудааст. Микросилисий низ ба кафки никелии ҳамон андоза пур карда шуда, катод омода шудааст. Дегчаи калони графитӣ танҳо ҳамчун зарфи нигоҳдорандаи намаки гудохта истифода шуда, ба пайвасти барқӣ дохил карда нашудааст.

Пас аз гудохтани намак дар 600 °C электродҳо ҳамзамон ба гудохта ғӯтонда шуда, дар озмоишҳои ҷудогона шиддати доимии 1,6, 1,9 ё 2,2 V татбиқ шудааст. Матни асосии боршуда давомнокии дақиқи электролизро ошкоро нишон намедиҳад. Ин камбудӣ аз нигоҳи такрорпазирии таҷриба муҳим аст.

Пас аз электролиз электродҳо хориҷ, то ҳарорати хонагӣ сард ва барои тоза кардани намаки боқимонда зери оби деионизатсияшуда бо ултрасадо шуста шудаанд. Маҳсулоти анодӣ барои хориҷ кардани Mg₂Si-и боқимонда ба 1 M HCl ғӯтонда шуда, ҳамчун силисийи бозсохташуда ҷамъоварӣ шудааст. Маҳсулоти катодӣ бошад ҳамчун Mg₂Si-и дубора ҳосилшуда гирифта шудааст.

Чаро 1,6 V, 1,9 V ва 2,2 V сохторҳои гуногун ба вуҷуд овардаанд?

Шиддати татбиқшуда тавозуни байни суръати хориҷшавии Mg²⁺ ва суръати бозсозии скелети силисийро тағйир додааст.

• 1,6 V: Маҳсулот асосан аз ҷамъшавиҳои зичи гранулавӣ иборат буд. Ковокиҳои кушода маҳдуд буданд ва сохтори равшани иерархӣ инкишоф наёфт. Муаллифон инро ба он нисбат медиҳанд, ки хориҷшавии Mg асосан дар сатҳҳои дастрас маҳдуд монда, табдил дар дохили масса нокифоя буд.
• 1,9 V: Шабакаи кушода, пайваста ва иерархии ковок аз наночӯбчаҳои борик ва ба ҳам печида ва ламеллаҳо ҳосил шуд. Пешниҳод шудааст, ки байни хориҷшавии Mg²⁺, ҷамъшавии холигиҳо ва бозсозии скелети силисий тавозуни мувофиқтар таъмин шудааст.
• 2,2 V: Реаксия тезтар пеш рафт, аммо дар баробари сохтори борики чӯбчамонанд минтақаҳои ғафси лавҳамонанд низ ҳосил шуданд. Муаллифон арзёбӣ кардаанд, ки демагнезатсияи босуръати сатҳ нисбат ба интиқоли Mg дар дохили масса ва бозтартибёбии атомӣ тезтар гузаштааст.

Муҳаққиқон ташаккули холигиҳоро дар 1,9 V бо таъсири навъи Kirkendall мепайванданд. Таъсири Kirkendall ҷамъшавии холигиҳо дар натиҷаи ҳаракати ҷузъҳо бо суръатҳои гуногун аст. Аммо таҳқиқот кинетикаи ташаккули холигиҳоро мустақиман ва бо ҳалли вақтӣ чен накардааст; бинобар ин, ин шарҳ тафсири механизми муаллифон бар асоси морфология мебошад.

Тасвирҳои микроскопӣ чиро нишон медиҳанд?

Дар тасвирҳои FESEM маҳсулоти 1,6 V зич ва гранулавӣ, маҳсулоти 1,9 V шабакаи кушода аз чӯбчаҳои борик ва ламеллаҳо ва маҳсулоти 2,2 V сохтори ноҳамвори иерархӣ бо минтақаҳои лавҳавии ғафстарро нишон медиҳад. Ин муқоиса нишон медиҳад, ки баландтарин шиддат ҳатман бориктарин ё муназзамтарин сохторро ба вуҷуд намеорад.

Масоҳатҳои хоси сатҳи BET бар асоси адсорбсияи нитроген чунинанд:

Тасвири TEM шабакаи сусти маҳсулоти 1,9 V-ро, ки аз воҳидҳои борик ва болои ҳам ҷойгиршуда иборат аст, тасдиқ мекунад. Дар тасвири HRTEM фосилаи панҷаравие, ки ба ҳамвории (111) силисийи кристаллӣ нисбат дода шудааст, дар матн 0,313 nm ва дар тамғаи расм 0,314 nm дода шудааст. Пайдо шудани ҳалқаҳои (111), (220) ва (311) дар нақши дифраксияи электронии майдони интихобшуда сохтори поликристаллии маҳсулотро дастгирӣ мекунад.

Натиҷаҳои XRD, Raman ва XPS табдилро чӣ гуна тасдиқ кардаанд?

Нопадид шудани қуллаҳои Mg₂Si ва пайдо шудани қуллаҳои силисийи кристаллӣ дар нақши XRD-и маҳсулоти анодӣ нишон медиҳад, ки Mg₂Si ба силисий табдил ёфтааст.

Дар спектри Raman қуллаи қавии силисий тақрибан дар 520 cm⁻¹, хусусияти хурдтар тақрибан дар 300 cm⁻¹ ва банди васеъ тақрибан дар 900 cm⁻¹ мушоҳида шудааст. Сигнали равшани Raman-и марбут ба Mg₂Si гузориш нашудааст.

Дар спектри XPS қуллаи бартаридоштаи Si–Si тақрибан дар 99 eV ва китфи сусте, ки ба намудҳои сатҳии Si–O–Si нисбат дода шудааст, тақрибан дар 102–103 eV мушоҳида шуд. Ин натиҷа нишон медиҳад, ки маҳсулоти асосӣ силисийи элементарӣ аст, аммо дар сатҳ миқдори маҳдуди намудҳои оксидшудаи силисий мавҷуданд.

Ташаккули Mg₂Si дар катод дар кадом таносуб пурра шудааст?

Табдили микросилисийи катод ба Mg₂Si бо тағйир додани таносуби молии Mg₂Si-и анод ва ашёи хоми Si-и катод арзёбӣ шудааст.

• Дар таносуби 1:1 дар ченкуниҳои XRD ва Raman силисийи боқимонда мушоҳида шудааст.
• Дар таносуби 1,1:1 низ силисий пурра нопадид нашудааст.
• Дар таносуби 1,2:1 сигнали равшани Si-и озод дида нашуда, маҳсулот ба Mg₂Si мувофиқат кардааст.

Аз ин рӯ, барои даврҳои минбаъда таносуби молии Mg₂Si:Si ба андозаи 1,2:1 интихоб шудааст. Гузориш шудааст, ки морфология ва сохтори кристаллии Mg₂Si-и дубора ҳосилшуда ба Mg₂Si-и ибтидоӣ монанд аст.

Электродҳои батарея чӣ гуна омода шудаанд?

Озмоишҳои электрохимиявӣ дар нимҳуҷайраҳои тугмашакли навъи CR2032 анҷом дода шуданд. µ-Si-и коркарднашуда ҳамчун намунаи назоратӣ истифода шуда, маҳсулоти 1,6, 1,9 ва 2,2 V гурӯҳҳои таҷрибавиро ташкил доданд.

Омехтаи электроди корӣ аз маводи фаъоли силисий, карбони ноқили Super P ва пайвасткунандаи алгинати натрий бо таносуби массаи 8:1:1 омода ва ба фолгаи мисӣ пӯшонда шудааст. Электродҳо дар 60 °C зери вакуум 12 соат хушк карда шуданд. Боркунии моддаи фаъол тақрибан 1,0 mg cm⁻² дода шудааст.

Ҳуҷайраҳо дар қуттии дастпӯшакдори пур аз аргон ҷамъ карда шуданд, ки сатҳи O₂ ва H₂O дар он зери 0,01 ppm нигоҳ дошта мешуд. Фолгаи литийи металлӣ ҳам ҳамчун электроди муқобил ва ҳам электроди истинод истифода шуда, мембранаи полипропилении Celgard 2400 ҳамчун ҷудокунанда истифода шудааст. Электролит дар ҳалкунандаи дорои таносуби ҳаҷмии EC:DMC = 1:1 аз 1 M LiPF₆ ва %10 fluoroethylene carbonate аз рӯи масса иборат буд. Ҳуҷайраҳо пеш аз санҷиш дар ҳарорати хонагӣ 12 соат истироҳат дода шуданд.

Озмоишҳои галваностатикии заряд-разряд дар ҳудуди 0,01–1,5 V гузаронида шуданд. Волтамметрияи даврӣ дар ҳамон ҳудуди потенсиал бо суръати сканкунии 0,1 mV s⁻¹ анҷом дода шуд. Спектроскопияи импеданси электрохимиявӣ дар ҳудуди басомади 0,01–10⁵ Hz ва бо амплитудаи 5 mV иҷро гардид.

Волтамметрияи даврӣ кадом реаксияҳоро нишон додааст?

Дар скани аввали катодӣ ду қуллаи барқароршавӣ тақрибан дар 1,49 V ва 0,5 V мушоҳида шуданд. Онҳо мутаносибан ба барқароршавии ибтидоии иловаи FEC ва ҳалкунандаи EC нисбат дода шуданд. Нопадид шудани ин қуллаҳо дар даврҳои баъдӣ ҳамчун ташаккули қабати SEI дар даври аввал тафсир шудааст.

Қуллаи тезе, ки дар даври аввал тақрибан дар 0,1 V дида шуд, ба литийшавии силисийи кристаллӣ ба шакле, ки LixSi ҳосил мекунад, нисбат дода шудааст. Дар даврҳои баъдӣ ин хусусият тақрибан ба 0,14 V ҷобаҷо шуда, бо литийшавии силисийи дар ҷараёни даврзанӣ аморфшуда алоқаманд дониста шудааст.

Қуллаҳои тақрибан 0,36 ва 0,55 V дар самти анодӣ делитийшавии марҳилавии LixSi-ро ифода мекунанд. Афзоиши ҷараёни қулла бо даврҳо бо фаъолшавии тадриҷии силисий ва пурқувват шудани посухи электрохимиявии фазаи LixSi шарҳ дода шудааст.

Самаранокии ибтидоии Coulomb чӣ гуна тағйир ёфтааст?

Самаранокии ибтидоии Coulomb (initial Coulombic efficiency, ICE) нишон медиҳад, ки чӣ қадар аз иқтидори дар вақти литийшавии аввал додашуда ҳангоми делитийшавии аввал дубора гирифта мешавад. ICE-и баланд маънои онро дорад, ки дар даври аввал барои ташаккули SEI ва дигар равандҳои барнагашт камтар литий талаф шудааст.

Баландтарин ICE дар маҳсулоти 1,9 V ба даст омадааст. Муаллифон ин афзоишро ба он нисбат медиҳанд, ки ковокиҳои кушода барои тағйирёбии ҳаҷм фазои буферӣ медиҳанд, шиддати маҳаллиро кам мекунанд ва дастрасии электролит ва ионҳои литийро ба сохтор осонтар месозанд.

Натиҷаҳои устувории 100 давр чиро нишон доданд?

Электродҳо аввал дар зичии ҷараёни 0,2 A g⁻¹ барои се давр фаъол карда шуда, сипас бо 0,5 A g⁻¹ даврзанӣ карда шуданд. Пас аз фаъолсозӣ иқтидори маҳсулоти 1,6, 1,9 ва 2,2 V мутаносибан 1989,1; 2424,3 ва 2418,8 mAh g⁻¹ гузориш шудааст.

Нигоҳдории иқтидор пас аз 100 давр:

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

µ-Si-и коркарднашуда дар график талафи босуръати иқтидорро нишон дод. Аммо дар матни асосӣ иқтидори дақиқи намунаи назоратӣ дар даври 100. ба таври ададӣ дода нашудааст; бинобар ин, аз график набояд қимати дақиқ тавлид карда шавад.

Самаранокии даврзании дарозмуддат чӣ гуна аст?

Электроди Si-1,9 V, ки ҳамчун намунаи оптималӣ муайян шудааст, пас аз се даври ибтидоии фаъолсозӣ бо ҷараёни паст дар зичии ҷараёни 2 A g⁻¹ барои 500 давр санҷида шудааст. Матни асосӣ ва хулоса иқтидори даври 500.-ро 1599 mAh g⁻¹ ва нигоҳдории иқтидорро %87,9 медиҳанд.

Дар бахши хулосаи таҳқиқот ҳамин иқтидор ҳамчун 1597,5 mAh g⁻¹ навишта шудааст. Ин фарқи хурд як номувофиқии ададии ҳалнашуда дар дохили манбаъ аст; дар мундариҷа қимати 1599 mAh g⁻¹ аз бахши натиҷаҳои асосӣ истифода шуда, фарқият дар ёддошти манбаъ нигоҳ дошта шудааст.

Самаранокӣ дар ҷараёни баланд чӣ гуна аст?

Иқтидори барқароршавандаи электроди Si-1,9 V дар зичиҳои афзояндаи ҷараён чунин аст:

Кам шудани иқтидор бо зиёд шудани зичии ҷараён тамоюли интизоршаванда аст; барои анҷом ёфтани реаксия аз ҷониби ионҳо ва электронҳо вақти камтар мемонад. Ташаккули роҳҳои кӯтоҳи ионҳои литий ва шабакаи пайвастаи интиқол аз ҷониби сохтори ковоки чӯбчамонанд бо нигоҳдории иқтидор дар ҷараёни баланд алоқаманд дониста шудааст.

Оё Mg₂Si-и дубора ҳосилшуда воқеан боз истифода шудааст?

Mg₂Si-и дар катод дар даври аввал ҳосилшуда дар озмоиши дуюми электролиз дар 1,9 V ҳамчун ашёи хоми анод истифода шудааст. Маҳсулоти бадастомада re-Si-1,9 V номгузорӣ шуда, бо Si-1,9 V, ки аз Mg₂Si-и дар аввал синтезшуда истеҳсол шудааст, муқоиса карда шуд.

Натиҷаҳои гузоришшуда барои Re-Si-1,9 V:

• Самаранокии ибтидоии Coulomb: %85,6,
• Иқтидори баръакспазир дар 0,2 A g⁻¹: 2486,5 mAh g⁻¹,
• Иқтидор пас аз 500 давр дар 2 A g⁻¹: 1514,5 mAh g⁻¹,
• Нигоҳдории иқтидор пас аз 500 давр: %84,3,
• Иқтидор дар 8 A g⁻¹: 785 mAh g⁻¹.

Ин қиматҳо нишон медиҳанд, ки Mg₂Si-и дубора ҳосилшударо ҳадди ақал дар як даври минбаъдаи электролиз истифода бурдан мумкин аст. Аммо таҳқиқот шумораи зиёди даврҳои пайдарпайи истеҳсол, талафи магний дар ҳар давр, ҷамъшавии олудагиҳо, тағйирёбии таркиби намак ё устувории дарозмуддати ҳосилнокии маҳсулотро арзёбӣ накардааст. Аз ин рӯ, натиҷа далели даврзании худкори беохир ва беталаф нест.

Натиҷаҳои импеданс дар бораи интиқоли ионҳо чиро нишон доданд?

Спектроскопияи импеданси электрохимиявӣ пас аз 10 давр бо 0,5 A g⁻¹ татбиқ шудааст. Модели занҷири эквивалентӣ муқовимати маҳлул, муқовимати қабати SEI, муқовимати интиқоли заряд ва унсурҳои фазаи доимиро дар бар мегирад.

Электроди Si-1,9 V нисбат ба µ-Si-и коркарднашуда муқовимати пасттари SEI ва интиқоли зарядро нишон дод. Коэффисиенти гузоришшудаи диффузияи ионҳои литий тақрибан як тартиби бузургӣ афзуд. Гарчанде қимати ҳисобшудаи D_Li+ барои Si-2,2 V каме баландтар буд, намунаи 1,9 V бо сабаби муқовиматҳои пасттари байнисарҳадӣ, морфологияи бориктари чӯбчамонанд ва вуруди камтари энергия ҳамчун оптимуми умумӣ интихоб шуд.

Муодилаҳои муфассали барои ҳисоб кардани коэффисиентҳои диффузия истифодашуда ба муодилаҳои S1 ва S2 дар файли маълумоти иловагӣ ирсол шудаанд; дар матни асосии боршуда баровардани пурраи ин муодилаҳо мавҷуд нест. Аз ин рӯ, ҳисобро мустақилона ба таври пурра аз нав санҷидан имконнопазир аст.

Қабати карбон чӣ гуна омода шудааст?

Si-и ковоке, ки дар 1,9 V истеҳсол шудааст, дар омехтаи об-этанол, ки CTAB, резорсинол ва маҳлули %37 формалдегид дошт, пароканда карда шуд; аммиак ҳамчун катализатор истифода шуд. Омехта дар 35 °C барои 6 соат омехта, 12 соат пиронида ва маҳсулоти бо резорсинол-формалдегид пӯшондашуда ҷамъоварӣ шуд. Маҳсулот дар атмосфераи аргон дар 700 °C тавонида шуда, Si-1,9 V@C ба даст оварда шуд.

Тасвири HRTEM дар сатҳи силисий қабати пайвастаи карбонии аморфии ғафсиаш тақрибан 5 nm-ро нишон медиҳад. Дар харитаҳои элементӣ Si, O ва C якҷоя дида шуда, гузориш шудааст, ки карбон дар тӯли скелети силисий паҳн шудааст. Дар спектри Raman ҳамроҳ бо қуллаи силисий тақрибан дар 520 cm⁻¹, банди бесарусомони D-и карбон тақрибан дар 1350 cm⁻¹ ва банди графитии G тақрибан дар 1580 cm⁻¹ мушоҳида шудааст.

Қабати карбон самаранокиро то чӣ андоза тағйир додааст?

Электроди Si-1,9 V@C дар даври аввал иқтидори заряди 2479,7 mAh g⁻¹ ва ICE-и %86,4 нишон дод. Дар зичии ҷараёни 8 A g⁻¹ иқтидори 923 mAh g⁻¹ ба даст омад; ин қимат аз 791,8 mAh g⁻¹, ки барои Si-1,9 V-и беқабат гузориш шудааст, баландтар аст.

Дар зичии ҷараёни 3 A g⁻¹ пас аз 500 давр:

• Иқтидори Si-1,9 V@C — 1563,2 mAh g⁻¹,
• Нигоҳдории иқтидори Si-1,9 V@C — %88,6,
• Дар расм нигоҳдории иқтидор барои Si-1,9 V-и беқабат %75,5 нишон дода шудааст.

Муаллифон арзёбӣ мекунанд, ки қабати карбон интиқоли электронҳоро осон мекунад, реаксияҳои паҳлӯиро бо электролит коҳиш медиҳад ва қабати SEI-ро муҳофизат мекунад. Скелети силисийи ковок бошад барои тағйирёбии ҳаҷм фазои физикӣ медиҳад. Таҳқиқот пешниҳод мекунад, ки ин ду таъсир якҷоя самаранокиро беҳтар мекунанд.

Ҷиҳатҳои қавии таҳқиқот кадомҳоянд?

• Тарҳи электролизи ҷуфтшударо пешниҳод кардааст, ки реаксияҳои анод ва катодро дар як даври истеҳсол ба маҳсулоти арзишманд табдил медиҳад.
• Табдили Mg₂Si ба силисийро бо XRD, Raman ва XPS; морфологияро бо FESEM, TEM, HRTEM ва SAED бо усулҳои гуногун тасдиқ кардааст.
• Таъсири шиддати электролизро ба сохтор дар шароити 1,6, 1,9 ва 2,2 V муқоиса кардааст.
• Микросилисийи коркарднашударо ҳамчун назорат истифода кардааст.
• Байни ковокӣ, масоҳати сатҳ, самаранокии электрохимиявӣ ва натиҷаҳои импеданс робитаи мутобиқи сохтор–самаранокиро муқаррар кардааст.
• Mg₂Si-и дар катод дубора ҳосилшударо воқеан дар даври минбаъдаи электролиз истифода бурда, барои ғояи гардиши дубора далели таҷрибавӣ пешниҳод кардааст.
• Самаранокии силисийи беқабат ва бо карбон пӯшондашударо дар ҷараёни баланд ва 500 давр арзёбӣ кардааст.
• Бо HRTEM ва харитасозии элементӣ омӯхтааст, ки қабати карбон сохторро вайрон намекунад.

Маҳдудиятҳои асосии таҳқиқот кадомҳоянд?

• Таҳқиқот препринте мебошад, ки аз арзёбии ҳамтоён нагузаштааст.
• Давомнокии дақиқи электролиз дар бахши асосии таҷрибавӣ ошкоро гузориш нашудааст.
• Нишон дода нашудааст, ки дар ҳар шароити электрохимиявӣ чанд ҳуҷайраи мустақил ё партияи мавод истифода шудааст.
• Дар графикҳои иқтидор инҳирофи стандартӣ, фосилаи эътимод ё тағйирпазирии байни ҳуҷайраҳо пешниҳод нашудааст.
• Дар байни гурӯҳҳо санҷиши аҳаммияти оморӣ ё қимати p гузориш нашудааст.
• Озмоишҳо дар нимҳуҷайраҳои дорои электроди муқобили литийи металлӣ ва бо боркунии фаъоли тақрибан 1,0 mg cm⁻² анҷом шудаанд.
• Озмоиши ҳуҷайраи пурраи дорои катоди тиҷоратӣ, стэк ё сатҳи баста мавҷуд нест.
• Истеҳсоли худдаврзананда танҳо бо истифодаи такрории Mg₂Si-и дар катод бадастомада дар даври минбаъда нишон дода шудааст; шумораи зиёди даврҳои истеҳсолӣ омӯхта нашудаанд.
• Ҳосили маҳсулот, самаранокии ҷараён, самаранокии Faraday, тавозуни массаи магний ва талафи мавод дар ҳар давр гузориш нашудааст.
• Гарчанде фурӯнишонии гази хлор пешниҳод шудааст, ченкунии мустақими хлор ё таҳлили газ пешниҳод нашудааст.
• Шумораи истифодаи такрории намаки гудохта ва ҷамъшавии олудагиҳо арзёбӣ нашудааст.
• Сарбории партовии кимиёвии шустан бо 1 M HCl ва рӯйпӯшкунии карбон чен нашудааст.
• Масрафи энергияи коркардҳои гармии 600–700 °C ҳисоб нашудааст.
• Арзёбии давраи ҳаёт, таҳлили техникоиқтисодӣ ё истеҳсоли пилотӣ анҷом дода нашудааст.
• Тавсифҳои “устувор”, “камхарҷ” ва “миқёспазир” бо маълумоти мустақими хароҷот, энергия ва таъсири экологӣ тасдиқ нашудаанд.
• Дар манбаъ баъзе номувофиқиҳои ададӣ, расмӣ ва навишти реаксияҳо мавҷуданд.

Таҳқиқот чиро дастгирӣ мекунад?

Таҳқиқот дастгирӣ мекунад, ки Mg₂Si-ро дар намаки гудохтаи NaCl–KCl–MgCl₂ бо роҳи электрохимиявӣ ба силисийи ковок табдил додан мумкин аст. Сохтори иерархии чӯбчамонанд ва ламеллавии дар шиддати мувофиқ ҳосилшуда нисбат ба микросилисийи коркарднашуда бо самаранокии баландтари даври аввал, муқовимати пасттари байнисарҳадӣ, интиқоли тезтари ионҳои литий ва устувории беҳтари даврӣ ҳамроҳ буд.

Таҳқиқот инчунин нишон медиҳад, ки Mg₂Si-и дар катод истеҳсолшударо ҳадди ақал дар як даври минбаъдаи электролиз ҳамчун ашёи хоми анод истифода бурдан ва силисийи ковоки дорои самаранокии монанд истеҳсол кардан мумкин аст.

Таҳқиқот чиро исбот намекунад?

Таҳқиқот исбот намекунад, ки усул дар миқёси саноатӣ иқтисодӣ аст, магний бе талаф ва бемаҳдуд дубора гардиш карда метавонад ё партоби хлор пурра аз байн бурда шудааст. Истеҳсоли бисёрдаврӣ, дастгоҳи пилотӣ, тавозуни пурраи мавод ва ченкунии партоб анҷом дода нашудаанд.

Қиматҳои иқтидори хос дар нимҳуҷайраҳо маънои онро надоранд, ки ҳамон самаранокӣ дар ҳуҷайраҳои пурраи тиҷоратӣ, электродҳои ғафси дорои иқтидори баланди сатҳӣ ё бастаҳои батарея низ ба даст меояд. Таҳқиқот маълумоти зичии энергия дар сатҳи ҳуҷайра, умри тақвимӣ, бехатарии пуркунии босуръат, варамкунӣ, ташаккули газ ё нигоҳдории дарозмуддатро пешниҳод намекунад.

Гарчанде қабати карбон самаранокии беҳтари даврзаниро таъмин кардааст, арзёбӣ нашудааст, ки оё рӯйпӯшкунӣ арзиши истеҳсол, масрафи энергия ва сарбории экологиро коҳиш медиҳад ё не.

Аҳамияти он аз нигоҳи гузашта, имрӯз ва оянда чист?

Аз нигоҳи гузашта: Иқтидори баланди силисий кайҳо маълум аст, аммо тағйирёбии ҳаҷм ва мураккабии истеҳсол татбиқро маҳдуд мекунанд. Дар табдилҳои қаблии асосёфта ба Mg₂Si, магний бештар ҳамчун маҳсулоти паҳлӯии барқарорнашаванда ё буғ хориҷ карда мешуд.

Саҳми имрӯз: Ин таҳқиқот муҳандисии сохтор ва гардиши дубораи маводро дар як ҳуҷайраи электролиз муттаҳид кардааст. Нишон дода шудааст, ки шиддати 1,9 V барои сохтори борик, ковок ва пайвастаи силисий тавозуни оптималии таҷрибавиро таъмин мекунад.

Аз нигоҳи оянда: Арзиши воқеии истеҳсолии усул метавонад бо шумораи зиёди даврҳои пайвастаи электролиз, ҳосили баланди маҳсулот, ҳуҷайраҳои пурраи дорои боркунии баланди сатҳӣ, устувории дарозмуддати намаки гудохта, ченкунии мустақими хлор, тарҳи раванди пайваста ва арзёбии давраи ҳаёт муайян карда шавад. Агар ин санҷишҳо анҷом дода шаванд, усул метавонад ба равиши гардиши дубораи электрохимиявӣ барои коҳиш додани талафи мавод дар истеҳсоли анодҳои силисий табдил ёбад.

Усул ва Натиҷаҳои Таҳқиқот

Хулосаи техникии усули таҷрибавӣ

Шароити санҷиши электрохимиявӣ

Натиҷаҳои асосии электрохимиявӣ

Номувофиқиҳои таҳрирӣ дар дохили манбаъ

Реаксияҳои асосии электродӣ дар шакли чорэлектронӣ дода шудаанд, ки аз ҷиҳати тавозуни заряд ва атом мутобиқ аст. Азбаски ифодаи дуэлектронӣ ва дорои як иони Mg²⁺ дар параграфи истифодаи такрорӣ бо реаксияи асосӣ мувофиқат намекунад, он хомӯшона ислоҳ нашуда, дар ин ҷо ҳамчун номувофиқии дохили манбаъ нишон дода шудааст.

Ёддошт оид ба Манбаъ ва Усул

Номи пурраи аслии таҳқиқот: Self-Cycling Fabrication of High-Performance Silicon Anodes via Reversible Mg2Si/Si Conversion in Molten-Salt Paired Electrolysis

Муаллифон бо тартиби дуруст: Xiaoyu Zhao; Juan Liu; Jian Liu; Wenhao Chen; Ya Zheng; Jingwei Hu; Yongzhi Wang; Xiaocheng Li.

Ҳаммуаллифи аввал ё саҳми баробар: Дар матн изҳорот дар бораи ҳаммуаллифии аввал ё саҳми баробар вуҷуд надорад.

Муаллифи масъул: Xiaocheng Li — xiaocheng_li@jxust.edu.cn.

Вобастагиҳои муассисавӣ:

• Xiaoyu Zhao, Wenhao Chen, Ya Zheng, Jingwei Hu, Yongzhi Wang ва 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, Чин.
• Juan Liu: Jiangxi Province Key Laboratory of Mining Engineering, School of Resources and Environmental Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou, Jiangxi, Чин.
• Jian Liu: Farasis Energy (Ganzhou) New Energy Co., Ltd., Ganzhou, Jiangxi, Чин.

DOI:10.2139/ssrn.7201057

Рақами сабти SSRN: 7201057.

Маҷалла: Номи маҷаллаи аз арзёбии ҳамтоён гузашта ё нусхаи ниҳоии нашршудаи маҷалла тасдиқ нашудааст.

Платформаи нашр: SSRN.

Оператори платформа: Elsevier.

Соли нашр: 2026.

Санаи боргузорӣ ба SSRN: 29 июли 2026.

Навъи манбаъ: Таҳқиқоти таҷрибавии маводи батарея ва препринт.

Ҳолати арзёбии ҳамтоён: Ин таҳқиқот препринте мебошад, ки аз арзёбии ҳамтоён нагузаштааст; натиҷаҳо бояд бо назардошти ин маҳдудият хонда шаванд.

Пайванди расмии манбаъ:Сабти таҳқиқот дар SSRN

Бархӯрди манфиатҳо: Муаллифон гузориш додаанд, ки манфиати молиявии маълум ё муносибати шахсӣ, ки метавонад ба таҳқиқот таъсир расонад, вуҷуд надорад.

Маблағгузорӣ: Дар таҳқиқот дастгириҳои Jiangxi Province Natural Science Foundation бо рақамҳои 20252BAC250041, 20232BAB21404, 20232BAB213048 ва 20242BAB20178; дастгирии Ganzhou Science & Technology Program бо рақами 2023PGX16978; дастгирии National Natural Science Foundation of China бо рақами 51862013 ва фонди кушодаи Jiangxi Provincial Key Laboratory of Power Batteries & Energy Storage Materials бо рақами 2024SSY10011 зикр шудаанд. Ба платформаи суперкомпютерии Jiangxi University of Science and Technology низ сипосгузорӣ шудааст.

Ин шарҳи туркӣ дар асоси матни асосӣ, усули таҷрибавӣ, реаксияҳои электродӣ, ҷадвалҳо, спектрҳои XRD, Raman ва XPS, тасвирҳои FESEM ва TEM, каҷҳои BET, волтамметрияи даврӣ, графикҳои заряд-разряд, ченкуниҳои импеданс ва натиҷаҳои таҳқиқоти боршуда омода шудааст. Натиҷаҳои илмӣ, даъвоҳои муваффақияти тиҷоратӣ ё хулосаҳои миқёси саноатӣ, ки дар таҳқиқот вуҷуд надоранд, илова нашудаанд. Манбаъҳои беруна танҳо барои тасдиқи библиографии DOI, санаи SSRN, платформа ва ҳолати нашр истифода шудаанд.

Маҳдудиятҳои асосии таҳқиқот инҳоянд: набудани арзёбии ҳамтоён, ошкоро дода нашудани давомнокии электролиз, гузориш нашудани такрорҳои мустақил ва тақсимоти хато, маҳдуд будани озмоишҳо ба нимҳуҷайраҳои литийӣ бо боркунии пасти моддаи фаъол, набудани санҷиши ҳуҷайраи пурра, нишон дода шудани гардиши дубораи Mg₂Si танҳо дар даври минбаъдаи истеҳсол, чен нашудани мустақими партоби хлор, гузориш нашудани ҳосили маҳсулот ва самаранокии энергия ва анҷом дода нашудани таҳлилҳои васеъкунии миқёс, давраи ҳаёт ва хароҷот.

Дар манбаъ вобаста ба иқтидори 500 давр, фосилаи панҷараи HRTEM, реаксияи истифодаи такрорӣ ва ирсоли ҷадвали EIS номувофиқиҳои таҳрирӣ мавҷуданд. Ин фарқиятҳо ҳангоми омода кардани мундариҷаи илмӣ пинҳон нашуда, дар бахшҳои дахлдор ошкоро нишон дода шудаанд.

Таҳқиқот исбот намекунад, ки усули пешниҳодшуда барои истеҳсоли тиҷоратии батарея омода аст, шумораи бемаҳдуди даврҳои пӯшида таъмин мекунад, ташаккули хлорро пурра аз байн мебарад ё дар батареяҳои нақлиёти барқӣ ҳамон самаранокиро нишон медиҳад. Барои ин даъвоҳо истеҳсоли пилотӣ, тавозуни бисёрдаврии мавод, ҳуҷайраи пурра, электроди боркунии баланд, озмоишҳои бехатарӣ, хароҷот ва таъсири экологӣ заруранд.