Ин таҳқиқот табдил додани ҷузъҳои ғайриорганикии дорои силитсийро аз шлаки майдаи газификатсияи ангишт ба маводи анодии силитсий-карбон барои батареяҳои литий-ионӣ меомӯзад. Аз шлаки як корхонаи ангишт дар Shaanxi диоксиди силитсийи курашакл тайёр карда шуда, ин мавод дар 700 °C тавассути барқароркунии магнезиотермӣ ба силитсийи кристаллӣ табдил дода шудааст ва пас аз 24 соат шустан бо кислота, дар 900 °C бо карбони аз сахароза ҳосилшуда рӯйпӯш гардидааст. Намунаи Si@C-2 бо таносуби номиналии массаи силитсий/карбон 2:1 дар байни композитҳои омӯхташуда сохтори мутавозинтарини мағза-пӯст ва нишондиҳандаҳои электрохимиявиро нишон додааст; дар зичии ҷараёни 2 A·g⁻¹ ғунҷоиши 269,66 mAh·g⁻¹, ҳангоми бозгашт ба ҷараёни паст барқароршавии ғунҷоиш ба андозаи %86,5 ва дар охири 100 давр нигоҳдории ғунҷоиш ба андозаи %82,1 гузориш шудааст. Бо вуҷуди ин, таҳқиқот аз тақризи илмӣ нагузаштааст; озмоишҳо дар нимҳуҷайраҳои лабораторӣ бо электроди муқобили литийи металлӣ ва боргузории моддаи фаъол тақрибан 1 mg·cm⁻² гузаронида шудаанд; санҷишҳои тасдиқкунанда барои ҳуҷайраи пурра, боргузории баланд, миқёси таҷрибавию саноатӣ, хароҷот, давраи ҳаёт ва бехатарии дарозмуддат пешниҳод нашудаанд.

Нуқтаи оғози таҳқиқот баррасии якҷояи ду мушкилоти ҷудогона мебошад. Мушкилоти аввал ин аст, ки шлаки майдаи газификатсияи ангишт, бо вуҷуди миқдори зиёди SiO₂, Al₂O₃ ва Fe₂O₃, партови сахтест, ки асосан дар анборҳо нигоҳ дошта мешавад. Мушкилоти дуюм арзиши истеҳсол, ноқилияти пасти барқӣ ва тағйирёбии ҳаҷми силитсий ҳангоми заряддиҳӣ-разряддиҳӣ мебошад, ки метавонад тақрибан ба %300 расад; силитсий аз сабаби ғунҷоиши баланди назариявии худ барои анодҳои батареяҳо таваҷҷуҳро ҷалб мекунад. Муҳаққиқон мақсад гузоштаанд, ки бо истифодаи шлак ҳамчун манбаи силитсий хароҷоти ашёи хомро кам кунанд ва тавассути сохтори ковок ва рӯйпӯши карбонӣ васеъшавии ҳаҷмии силитсий, мушкилоти ноқилият ва ноустувории давриро сабуктар намоянд.

Арзёбӣ аз нигоҳи Туркия: Таҳқиқот барои пажӯҳишҳои иқтисоди даврӣ дар Туркия, ки ба истифодаи бақияҳои минералии саноатӣ ҳамчун маводи батарея, адсорбент ё ашёи хоми сафолҳои пешрафта равона шудаанд, аҳамияти методӣ дорад. Барои мутобиқ кардани ин равиш ба Туркия бояд таркиби минералогӣ, миқдори металлҳои вазнин, сохтори донагӣ ва барқароршавандагии бақияҳои маҳаллии газификатсияи ангишт ё бақияҳои шабеҳи саноатии дорои миқдори баланди кремнезём алоҳида чен карда шаванд; баромад, тозагӣ ва нишондиҳандаҳои электрохимиявии силитсийи ҳосилшуда бояд бо ҳамон протокол тасдиқ гарданд. Ҳамчунин истифодаи кислотаи фторид, тозакунии обҳои партов, сарфи магний, талаботи энергия, арзиши воқеии истеҳсол ва тавозуни экологӣ бояд мувофиқи шароити корхонаҳои Туркия арзёбӣ шаванд. Аз ин таҳқиқот наметавон хулоса кард, ки ҳар гуна шлаки дар Туркия мавҷудбуда ҳамон натиҷаро медиҳад, раванд аз ҷиҳати иқтисодӣ судманд аст, онро бевосита ба истеҳсоли маҳаллии батареяҳо интиқол додан мумкин аст ё дар миқёси саноатӣ фоидаи экологӣ меорад.

Мушкилоти асосии таҳқиқот чист?

Барои зиёд кардани ғунҷоиши захираи энергияи батареяҳои литий-ионӣ анодҳое лозиманд, ки нисбат ба графит ғунҷоиши хоси баландтар таъмин карда метавонанд. Дар таҳқиқот зикр шудааст, ки ғунҷоиши хоси назариявии анодҳои графити табиӣ ва тағйирдодашуда аз сатҳи 400 mAh·g⁻¹ пасттар мемонад, дар ҳоле ки ғунҷоиши назариявии силитсий 4200 mAh·g⁻¹ қабул шудааст. Аммо силитсий ҳангоми литийкунии пурра метавонад тақрибан %300 васеъшавии ҳаҷмиро аз сар гузаронад. Ин васеъшавӣ метавонад боиси шикастани зарраҳо, аз даст рафтани тамоси барқӣ ва пайваста аз нав ҳосил шудани фазаи байнисатҳии электролити сахт гардад.

Муҳаққиқон ин мушкилоти маводро бо истифодаи шлаки майдаи газификатсияи ангишт пайваст кардаанд. Зикр шудааст, ки дар қисми ғайриорганикии шлаки омӯхташуда маҷмӯи SiO₂, Al₂O₃ ва Fe₂O₃ аз рӯйи масса аз %60 зиёд аст. Саволи асосии таҳқиқот ин аст, ки оё манбаи силитсийи аз ин партов ҷудошударо тоза карда, ба силитсийи аз ҷиҳати электрохимиявӣ функсионалӣ табдил додан мумкин аст ва оё миқдори муносибе аз рӯйпӯши карбонӣ устувории сохтории силитсийро беҳтар карда метавонад.

Таҳқиқот кадом холигии адабиёти илмиро ҳадаф мегирад?

Гуфта мешавад, ки таҳқиқоти пешина аз шлаки газификатсияи ангишт асосан SiO₂-и ковок, силикати натрий ё маводи адсорбсионӣ истеҳсол мекарданд. Аммо ин таҳқиқот SiO₂-и курашакли аз шлак ҳосилшударо ҳамчун маҳсулоти ниҳоӣ боқӣ нагузошта, аввал ба силитсийи элементӣ барқарор мекунад ва сипас ба сохтори анодии силитсий-карбони мағза-пӯст табдил медиҳад. Муҳаққиқон иддао мекунанд, ки SiO₂-и курашакл бори аввал бо ин мақсад истифода шудааст. Ин иддаои «аввалин» будан арзёбии муаллифон дар худи таҳқиқот аст; он дар доираи ин мақола бо ҷустуҷӯи мустақил ва ҳамаҷонибаи авлавият тасдиқ нашудааст.

Табдил аз шлак ба силитсий чӣ гуна анҷом дода шудааст?

Қисми 5-граммаи аз моддаҳои ғайриорганикӣ бойи шлаки майдаи газификатсияи ангишт, ки аз Huating Coal Industry Group гирифта шудааст, барои хориҷ кардани омехтаҳои металлӣ коркард гардида, тавассути раванди сол-гел SiO₂-и курашакл тайёр карда шудааст. Аз SiO₂-и тайёршуда 0,5 грамм дар дохили қуттии дастпӯшакдор бо 1,5 грамм хокаи магний дар ҳовани ақиқӣ омехта шудааст. Омехта дар кӯраи қубурӣ дар 700 °C ба муддати 1 соат коркарди ҳароратӣ шуда, маҳсулоти хоми силитсий ҳосил гардидааст.

Реаксияи асосии барқароркунии магнезиотермӣ, ки дар таҳқиқот оварда шудааст, чунин аст:

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

Дар ин реаксия SiO₂ ба силитсийи элементӣ барқарор мешавад, магний бошад бо оксиген пайваст шуда MgO ҳосил мекунад. Миқдорҳои истифодашудаи SiO₂ ва Mg бо грамм, ҳарорати коркард бо °C ва давомнокӣ бо соат дода шудаанд. Азбаски реаксия экзотермӣ аст, дар зарраҳо тарқиш, шикастан ва зичшавии маҳаллӣ ҳангоми пухтан ба вуҷуд омада метавонанд.

Дар таҳқиқот ду реаксияи эҳтимолии иловагӣ низ чунин навишта шудаанд:

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

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

Реаксияи рақами дуюм дар матн бо ҳамин шакл чоп шудааст. Аммо бо вуҷуди набудани манбаи оксиген дар тарафи чап, дар тарафи рост O₂ мавҷуд аст ва аз як атоми Mg пайвастагии Mg₂Si ҳосил карда мешавад. Аз ин рӯ, муодила дар шакли навишташуда тавозуни атомҳоро таъмин намекунад. Ба ҷойи бесадо ислоҳ кардани таҳқиқот бояд зикр кард, ки ин формула хатои матнӣ ё стехиометрӣ аст ва муаллифон бояд онро аз нав баррасӣ кунанд. Реаксияи сеюм бошад ҳосилшавии фазаи иловагии силикати магний Mg₂SiO₄-ро ифода мекунад.

Маҳсулоти хоми барқароркунӣ барои хориҷ кардани магний ва оксидҳои магний дар кислотаи хлориди 1 mol·L⁻¹ ба муддати 24 соат омехта шуда, то расидан ба pH-и бетараф бо оби деионидашуда шуста шудааст. Барои хориҷ кардани SiO₂-и ба реаксия вориднашуда намуна баъдан дар маҳлули %5 HF ба муддати 45 дақиқа нигоҳ дошта шуда, дубора то pH-и бетараф шуста ва хушк карда шудааст.

Чаро давомнокии шустан бо кислота муҳим аст?

Дар таҳқиқот коркарди 2, 12 ва 24-соата бо кислотаи хлорид муқоиса шудааст. Натиҷаҳои дифраксияи рентгенӣ нишон медиҳанд, ки пас аз коркарди 2 ва 12-соата аломатҳои дифраксияи фазаҳои иловагӣ, ба монанди MgO ва Mg₂SiO₄, боқӣ мемонанд; пас аз коркарди 24-соата бошад пикҳои омехтаҳо ба таври назаррас аз байн мераванд. Зикр шудааст, ки ҳангоми коркард бо HF аз сабаби реаксияи MgO-и боқимонда бо HF фазаҳои MgF₂ низ ҳосил шуда метавонанд.

Пикҳое, ки дар маҳсулоти тозашуда дар мавқеъҳои 2θ = 28,4°, 47,3°, 56,1°, 69,1°, 76,4° ва 88,0° дида мешаванд, мутаносибан ба ҳамвориҳои кристаллии (111), (220), (311), (400), (331) ва (422)-и силитсийи кубӣ нисбат дода шудаанд. Ин натиҷа табдил ёфтани SiO₂-и аз шлак ҷудошударо ба силитсийи кристаллӣ дастгирӣ мекунад.

Дар тасвирҳои SEM дида мешавад, ки як қисми силитсийи барқароршуда шакли курашакли ибтидоиро нигоҳ доштааст, қисми дигар бошад ба пораҳои хурдтар ҷудо шудааст. Дар матн андозаи зарра тақрибан 300 nm гуфта шудааст, аммо дар тасвири калонкардашудаи Расми 1 барои як зарраи намунавӣ аломати 378 nm мавҷуд аст. Ин тасвир ченаки ҷудогона ё намояндагӣ мебошад; таҳқиқот тақсимоти ҳамаҷонибаи андозаи зарраҳоро пешниҳод намекунад.

Каҷхатти адсорбсия-десорбсияи нитроген ҳамчун изотермаи навъи IV тафсир шуда, бо сохтори мезоковок алоқаманд дониста шудааст. Барои силитсийи тозашуда масоҳати хоси сатҳ 53,97 m²·g⁻¹ ва ҳаҷми ковокиҳо 0,089 cm³·g⁻¹ дода шудааст. Дар графики тақсимоти ковокиҳо андозаи бартаридоштаи ковокӣ тақрибан 4,84 nm ишора шудааст. Муҳаққиқон чунин арзёбӣ мекунанд, ки ин ковокиҳо метавонанд ҳам тамос бо электролит ва интиқоли Li⁺-ро осон кунанд ва ҳам барои васеъшавии силитсий ҳаҷми холӣ фароҳам оваранд.

Нишондиҳандаҳои электрохимиявии силитсийи тозашуда чӣ гунаанд?

Ғунҷоиши хоси даври якуми намунаи силитсийи 24 соат шусташуда 1891,2 mAh·g⁻¹ ва самаранокии ибтидоии кулонӣ %90,2 гузориш шудааст. Ҳангоми зичии ҷараёни мутаносибан 0,1, 0,2, 0,5, 1 ва 2 A·g⁻¹ ғунҷоишҳои хос 1647,82, 1414,9, 1061,32, 812,26 ва 482,72 mAh·g⁻¹ чен шудаанд. Ҳангоми дубора паст кардани зичии ҷараён то 0,1 A·g⁻¹ ғунҷоиш ба қимати 1418,2 mAh·g⁻¹ баргаштааст.

Намунаи 24-соата дар сатҳи 2 A·g⁻¹ %29,3-и ғунҷоиши ибтидоии худро нигоҳ доштааст ва ҳангоми бозгашт ба сатҳи 0,1 A·g⁻¹ %86,1-и онро нигоҳ доштааст. Муҳаққиқон ин нишондиҳандаҳоро бо хориҷ шудани фазаҳои иловагии зич, ба монанди MgO ва Mg₂SiO₄, шарҳ медиҳанд. Аммо миқдори омехтаҳо тавассути таҳлили миқдории кимиёвӣ дода нашудааст; тафсир асосан ба камшавии пикҳои XRD ва каҷхатҳои электрохимиявӣ такя мекунад.

Рӯйпӯши карбонӣ чӣ гуна ҳосил карда шудааст?

Аз силитсийи холис 0,5 грамм бо маҳлули сахарозаи ҳаҷмаш 20 mL ва консентратсияаш 0,085 mol·L⁻¹ омехта шудааст. Омехта дар ҳаммоми обӣ то пурра хушк шудан бо омехтакунаки магнитӣ омехта гардида, пешмоддаи ҳосилшуда дар атмосфераи аргон дар 900 °C ба муддати 1 соат карбонизатсия шудааст. Сахароза ҳамчун манбаи карбон интихоб шудааст, ки метавонад тавассути гурӯҳҳои гидроксилӣ бо сатҳи силитсий таъсири мутақобил кунад ва дар анҷоми коркарди ҳароратӣ қабати карбони сахти аморфӣ ҳосил намояд.

Чор таносуби номиналии массаи Si/C тайёр карда шудааст:

Ин таносубҳо таносубҳои номиналии массаи дар оғоз истифодашуда мебошанд. Фоизи воқеии карбони дар композитҳо пас аз карбонизатсия боқимонда бо таҳлили термогравиметрӣ ё усули дигари миқдорӣ гузориш нашудааст. Аз ин рӯ, қимати «2:1» набояд ҳамчун таркиби дақиқи элементии маҳсулоти ниҳоӣ арзёбӣ шавад.

Сохтори мағза-пӯст бо кадом тасвирҳо тасдиқ шудааст?

Дар тасвирҳои TEM ва HRTEM-и намунаи Si@C-2 дида мешавад, ки зарраҳои силитсийро қабати карбони аз сахароза ҳосилшуда иҳота кардааст. Фосилаи панҷараи кристаллӣ 0,31 nm чен шуда, ба ҳамвории (111)-и силитсий нисбат дода шудааст. Дар нақши дифраксияи электронии минтақаи интихобшуда ҳалқаҳои (111) ва (220)-и силитсий муайян шудаанд.

Дар харитаҳои элементии HAADF ва EDX дида мешавад, ки сигнали силитсий дар минтақаи мағза мутамарказ шуда, карбон дар атрофи мағза паҳн шудааст. Дар харитаи оксиген сигнали сатҳи пасти оксиген низ мавҷуд аст. Муҳаққиқон инро бо қабати тунуки табиии SiO₂, ки ҳангоми тамоси кӯтоҳ бо ҳаво ҳосил шудааст, шарҳ медиҳанд. Тасвирҳо меъмории мағза-пӯстро аз ҷиҳати сифатӣ дастгирӣ мекунанд; аммо тақсимоти омории ғафсии пӯсти карбонӣ аз рӯйи шумораи зиёди зарраҳо дода нашудааст.

Таҳлилҳои FTIR, XRD, Raman ва XPS чиро нишон медиҳанд?

Дар спектри FTIR банди тақрибан 1078 cm⁻¹ ба кашиши асимметрии Si–O–Si ва қабати тунуки оксиди рӯизаминӣ нисбат дода шудааст. Сигнали васеъ дар ҳудуди 1560–1700 cm⁻¹ ҳамчун рӯйҳамоии ларзишҳои C=C дар минтақаҳои карбони sp² ва нуқсонҳои канории карбонилӣ тафсир шудааст. Банди заиф дар атрофи 2915 cm⁻¹ бошад ба занҷирҳои алкилии пас аз дегидрататсия ва карбонизатсияи сахароза боқимонда алоқаманд дониста шудааст.

Дар нақшҳои XRD пикҳои силитсийи кристаллӣ нигоҳ дошта мешаванд ва дар ҳудуди 2θ = 20–26° сигнали заифу васеъ дида мешавад, ки ба ҳамвории (002)-и карбони аморфӣ нисбат дода шудааст. Шиддати баланди пикҳои силитсий сигнали карбонро қисман мепӯшонад. Ин натиҷа набудани тартиби графитии дурмасофаро дар рӯйпӯш дастгирӣ мекунад.

Дар спектрҳои Raman банди D дар мавқеи тақрибан 1350 cm⁻¹ карбони нуқсондор ё бетартибро ифода мекунад, банди G дар мавқеи тақрибан 1580 cm⁻¹ бошад минтақаҳои графитии дорои гибридшавии sp²-ро ифода мекунад. Таносуби шиддатҳои бандҳои D ва G барои Si@C-0.5, Si@C-1, Si@C-2 ва Si@C-3 мутаносибан тақрибан 1,59, 1,57, 1,51 ва 1,61 аст. Дар ҳудуди 1,5–1,6 будани ҳамаи қиматҳо нишон медиҳад, ки карбони аз сахароза ҳосилшуда сохтори аморфии дорои зичии баланди нуқсонҳо мебошад.

Дар таҳлили XPS сигнали C 1s ба ҷузъҳои C–C дар 284,8 eV, C–O дар 286,1 eV ва C=O дар 288,5 eV ҷудо карда шудааст. Сигнали Si 2p ба ҷузъҳои Si дар 99,4 eV, Si–C дар 100,0 eV ва Si–O дар 103,7 eV мувофиқ дониста шудааст. Дар таҳлили O 1s матн сигнали 533,2 eV-ро C–O ва сигнали 531,2 eV-ро C–O-и аз пухтани сахароза боқимонда муайян мекунад. Аммо дар графики иловагии XPS ҷузъи 531,2 eV бо нишони «Si–O» нишон дода шудааст. То бартараф шудани ин фарқи байни матн ва расм, мансубияти дақиқи кимиёвии пики 531,2 eV-ро муайян кардан мумкин нест.

Натиҷаҳои асосии электрохимиявии композитҳои Si@C кадоманд?

Электроди Si@C-2 аз ҷиҳати нигоҳдории ғунҷоиш дар суръати баланди ҷараён ва барқароршавии ғунҷоиш ҳангоми бозгашт ба ҷараёни паст намунаи мутавозинтарин муайян шудааст. Дар зичии ҷараёни 2 A·g⁻¹ ғунҷоиши 269,66 mAh·g⁻¹ дода, аз ғунҷоиши худ дар сатҳи 0,1 A·g⁻¹ %31,15-ро нигоҳ доштааст. Ҳангоми дубора паст кардани ҷараён то сатҳи 0,1 A·g⁻¹ нигоҳдории ғунҷоиш ба %86,5 расидааст.

Гарчанде Si@C-1 ғунҷоиши баландтарини разряди аввалро додааст, Si@C-2 самаранокии ибтидоии кулонии баландтар ва нигоҳдории беҳтари ғунҷоиш дар 100 даврро таъмин кардааст. Ин муқоиса нишон медиҳад, ки танҳо ғунҷоиши ибтидоии баландтарин маънои беҳтарин электродро надорад; байни пайвастагии рӯйпӯши карбонӣ, интиқоли ионҳо ва баргардандагӣ тавозун лозим аст.

Дар графики EIS намунаи Si@C-2 хурдтарин диаметри нимдоираро нишон медиҳад ва ин бо пасттарин муқовимати интиқоли заряд алоқаманд дониста мешавад. Si@C-0.5 бошад нимдоираи калонтарин дорад. Муҳаққиқон инро ба кам кардани каналҳои кушодаи ионӣ аз ҷониби қабати аз ҳад ғафсу зичи карбон нисбат медиҳанд. Бо вуҷуди ин, азбаски модели схемаи эквивалентӣ, қиматҳои ададии R_ct ва хатогиҳои мувофиқсозӣ дода нашудаанд, натиҷаи EIS миқдорӣ нест, балки ба муқоисаи нисбии каҷхатҳо такя мекунад.

Интиқоли иони литий ва механизми захиракунӣ чӣ гуна шарҳ дода шудаанд?

Техникаи титркунии фосилавии галваностатикӣ (GITT) ба додани импулси кӯтоҳи ҷараён ба электрод ва сипас оромгузорӣ дар занҷири кушода то расидани шиддат ба мувозинати тақрибӣ асос меёбад. Дар таҳқиқот импулси ҷараёни 0,2 A·g⁻¹ истифода шудааст; зикр шудааст, ки бо истифода аз тағйирёбии гузарои шиддат ΔE_τ ва тағйирёбии устувори шиддат ΔE_s дар ҳар қадам коэффитсиенти диффузияи Li⁺ ҳисоб карда шудааст. Аммо муодилаи ҳисоб, давомнокии импулс, муддати оромгузорӣ ва геометрияи электроди истифодашуда равшан дода нашудаанд.

Дар матн гуфта мешавад, ки барои Si@C-2 ҳангоми заряддиҳӣ коэффитсиенти диффузияи Li⁺ тақрибан дар ҳудуди 10^−11,5–10⁻¹² cm²·s⁻¹ ва ҳангоми разряддиҳӣ дар ҳудуди 10⁻¹¹–10^−11,5 cm²·s⁻¹ аст. Аммо дар нуқтаҳои ибтидоии графикҳои GITT қиматҳои гузарои логарифмии баландтар дида мешаванд. Аз ин рӯ, ҳудудҳои матн бояд ҳамчун қиматҳои хоси қисми муайяни раванд хонда шаванд, на ҳамчун минимуму максимуми дақиқи тамоми давр.

Пешниҳод мешавад, ки бо пешрафти литийкунӣ аз сабаби ҳосилшавии хӯлаҳои Li_xSi ва васеъшавии силитсий муқовимати диффузия зиёд шуда, аз ин рӯ қимати D_Li+ кам мешавад. Шабакаи карбонӣ ва сохтори ковок бошанд дар оғоз ба интиқоли тезтари ионҳо мусоидат мекунанд.

Дар таҳлили волтамметрияи даврӣ пики васеи барқароршавӣ, ки дар скани катодии аввал байни 0,5–1,0 V дида шуда, дар даврҳои баъдӣ гум мешавад, бо ҳосилшавии фазаи байнисатҳии электролити сахт алоқаманд дониста шудааст. Сигнали барқароршавӣ дар ҳудуди 0,1–0,5 V табдили силитсийи кристаллиро ба фазаҳои Li_xSi ифода мекунад; пикҳои оксидшавӣ дар тақрибан 0,35 ва 0,53 V бошанд ҷудошавии литийро аз хӯлаи Li_xSi нишон медиҳанд.

Муносибати байни ҷараёни пикӣ ва суръати скан бо муодилаи зерин таҳлил шудааст:

\[ i = a v^b \]

Дар ин ҷо i ҷараёни пикӣ, v суръати скан, a доимии мутаносибии вобаста ба воҳидҳои истифодашуда ва системаи электрохимиявӣ, b бошад хусусияти механизми кинетикиро ифода мекунад. Ба 0,5 наздик шудани қимати b бартарии рафтори бо диффузия идорашавандаро нишон медиҳад ва ба 1 наздик шудани он бартарии рафтори сатҳӣ ё ғунҷоишӣ идорашавандаро ифода мекунад. Барои Si@C-2 ба даст омадани b = 0,63 таъсири якҷояи ду механизмро дастгирӣ мекунад.

Саҳми псевдоғунҷоишӣ дар суръати скани 0,2 mV·s⁻¹ тақрибан %18,0; дар 0,4 mV·s⁻¹ %21,0; дар 0,6 mV·s⁻¹ %24,7; дар 0,8 mV·s⁻¹ %28,3 ва дар 1,0 mV·s⁻¹ %32,9 ҳисоб шудааст. Бо зиёд шудани суръати скан саҳми реаксияҳои тези наздисатҳӣ дар ғунҷоиши умумӣ меафзояд, дар ҳоле ки ҳиссаи нисбии қисми бо диффузия идорашаванда кам мешавад.

Таҳқиқот кадом натиҷаҳоро дастгирӣ мекунад?

• SiO₂-и аз шлаки майдаи газификатсияи ангишти омӯхташудаи маншааш Shaanxi ҷудошуда дар шароити лаборатории зикршуда ба силитсийи кристаллӣ табдил дода шудааст.
• Коркарди 24-соата бо кислотаи хлорид нисбат ба коркардҳои 2 ва 12-соата дар XRD фазаҳои иловагии дорои Mg-ро камтар боқӣ гузоштааст.
• Карбони аз сахароза ҳосилшуда дар атрофи зарраҳои силитсий рӯйпӯши аморфӣ ва нуқсондор ташкил кардааст.
• Таносуби номиналии Si:C = 2:1 морфологияи мутавозинтаринро байни қабати аз ҳад ғафси карбон ва иҳотакунии нокифоя таъмин кардааст.
• Si@C-2 дар байни чор композити омӯхташуда аз ҷиҳати самаранокии ибтидоии кулонӣ, нишондиҳандаҳои суръатӣ, бозгашт ба ҷараёни паст ва нигоҳдории ғунҷоиш дар 100 давр натиҷаҳои мутавозинтарин додааст.
• Рафтори захиракунии энергия дар Si@C-2 на танҳо ба диффузия, балки ба саҳми псевдоғунҷоишие ҳам асос меёбад, ки бо зиёд шудани суръати скан меафзояд.

Таҳқиқот чиро исбот намекунад?

• Натиҷаҳо нишондиҳандаҳои ҳуҷайраи пурраи тиҷоратии литий-иониро нишон намедиҳанд; нимҳуҷайраҳои CR2032 бо литийи металлӣ ҳамчун электроди муқобил озмуда шудаанд.
• Натиҷаҳои дар боргузории тақрибан 1 mg·cm⁻² гирифташуда исбот намекунанд, ки дар боргузориҳои баландтари электрод ҳамон нишондиҳандаҳо нигоҳ дошта мешаванд.
• Ченкунии 100-давра далели муҳлати дарозмуддати истифодаи тиҷоратӣ ё бехатарӣ нест.
• Дар таҳқиқот санҷишҳои гурези ҳароратӣ, осеби механикӣ, ҳосилшавии газ ё дигар санҷишҳои бехатарӣ гузаронида нашудаанд.
• Намунаи шлак аз як корхона мувофиқ будани ҳамаи бақияҳои газификатсияи ангиштро аз манбаъҳои гуногун нишон намедиҳад.
• Табдили муваффақ дар миқёси лабораторӣ бартарии иқтисодӣ ва экологии равандро дар миқёси таҷрибавию саноатӣ ё саноатӣ исбот намекунад.
• Таъсири умумии экологии кислотаи фторид, кислотаи хлорид, магний ва коркарди кӯравӣ дар ҳарорати баланд арзёбӣ нашудааст.
• Гарчанде имкони «сарфаи хароҷот» пешниҳод шудааст, баромади мавод, сарфи энергия, барқароркунии моддаҳои кимиёвӣ, тозакунии обҳои партов ва арзиши як воҳиди маҳсулот ҳисоб нашудаанд.

Ҷиҳатҳои қавӣ ва маҳдудиятҳои таҳқиқот кадоманд?

Ҷиҳати қавии таҳқиқот ташкили ҷараёни ягонаи таҷрибавӣ аз ҷудокунии пешмоддаи партовӣ то силитсийи кристаллӣ ва аз рӯйпӯшкунии карбонӣ то истеҳсоли электрод ва таҳлилҳои сершумори электрохимиявӣ мебошад. Истифодаи якҷояи натиҷаҳои SEM, TEM, HRTEM, EDX, XRD, FTIR, Raman, XPS, адсорбсияи нитроген, санҷиши суръатӣ, санҷиши даврӣ, EIS, GITT ва CV имкон медиҳад, ки байни морфология, сохтори кимиёвӣ ва рафтори электрохимиявӣ робита барқарор карда шавад.

Маҳдудиятҳои асосӣ инҳоянд: дода нашудани шумораи такрорҳо, инҳирофҳои стандартӣ ва сутунчаҳои хатогӣ; набудани таҳлили аҳамияти оморӣ; чен нашудани ҳиссаи воқеии карбон; ошкор нашудани баромадҳои барқароркунӣ ва тозакунӣ; нопурра будани ҷузъиёти ҳисобҳои GITT ва EIS; тасвир нашудани шикастани зарраҳо ва сохтори SEI пас аз даврҳо; омӯхта шудани танҳо як манбаи шлак ва маҳдуд будани санҷишҳо ба нимҳуҷайраҳои лабораторӣ. Илова бар ин, номувофиқатиҳои дохилиматнӣ, ба монанди формулаи 2, нисбатдиҳии пики O 1s, аломатҳои муаллифи масъул ва маълумоти муассисаҳо, нишон медиҳанд, ки preprint ба ислоҳи илмӣ ва таҳрирӣ ниёз дорад.

Аҳамият аз нигоҳи гузашта, имрӯз ва оянда

Дар гузашта кремнезёми шлаки газификатсияи ангишт асосан ба маҳсулоти минералии дорои арзиши иловашудаи паст ё миёна табдил дода мешуд; ин таҳқиқот равишеро пешниҳод мекунад, ки ҳамон манбаъро ба маводи захиракунии электрохимиявии энергия табдил медиҳад. Саҳми имрӯзаи он ба таври таҷрибавӣ нишон додани робитаи байни барқароркунии SiO₂-и аз шлак ҳосилшуда, ташкили силитсийи мезоковок ва танзими таносуби рӯйпӯши карбонӣ мебошад.

Таҳқиқоти оянда бояд манбаъҳои гуногуни шлак, боргузориҳои баландтари моддаи фаъол, ҳуҷайраҳои пурра бо катодҳои тиҷоратӣ, даврзании тӯлонитар ва шароити воқеии истеҳсолро фаро гиранд. Барои қобили татбиқ будани раванд бояд тавозуни масса, баромади бозёбии силитсий, коркарди такрории магний ва кислота, сарфи энергия, идоракунии обҳои партов, арзёбии давраи ҳаёт ва таҳлили техникӣ-иқтисодӣ анҷом дода шаванд. То гузаронидани ин санҷишҳои тасдиқкунанда усулро ҳамчун раванди омода барои истеҳсоли тиҷоратии батареяҳо арзёбӣ кардан мумкин нест.

Усул ва Натиҷаҳои Таҳқиқот

Ашёи хом ва протоколи синтез

Тавсифи мавод

• Морфология: микроскопи электронии сканкунандаи рӯйимизии Phenom Pro.
• Тасвиргирии баландтафсил: JEOL JEM-2100F HRTEM.
• Raman: Renishaw InVia Reflex, дарозии мавҷи барангезиш 532 nm.
• XRD: Bruker D8 Advance, шуоъафкании Cu Kα, суръати скан 5°·дақиқа⁻¹.
• XPS: Thermo Scientific K-Alpha.
• Адсорбсияи нитроген: Micromeritics ASAP 2460; масоҳати сатҳи BET ва тақсимоти ковокиҳои BJH.
• Дар таҳқиқот модели дастгоҳи FTIR зикр нашудааст.

Тайёр кардани электрод ва ҷамъбандии ҳуҷайра

Моддаи фаъол, иловаи ноқилии Super-P/Ketjen black ва пайвасткунандаи карбоксиметилселлюлозаи натрий бо таносуби массаи 7:2:1 омехта шудаанд. Омехта дар осиёби курачадори сайёравӣ майда шуда, бо оби деионидашуда ба суспензия табдил дода ва бо ултрасадо якхела карда шудааст. Суспензия бо корди ракели рӯйпӯшкунӣ ба фолгаи мисӣ молида шуда, боргузории моддаи фаъол тақрибан 1 mg·cm⁻² муқаррар шудааст. Электродҳо дар 60 °C зери вакуум ба муддати 12 соат хушк карда шудаанд.

Ҳуҷайраҳои тугмашакли CR2032 дар қуттии дастпӯшакдори пур аз аргон ҷамъбандӣ шудаанд, ки сатҳи H₂O ва O₂ дар он аз 0,1 ppm паст нигоҳ дошта мешуд. Электроди тайёршуда ҳамчун электроди корӣ, литийи металлӣ ҳамчун электроди муқобил, Celgard 2500 ҳамчун ҷудокунанда ва 1 M LiPF₆ дар EC/DMC/EMC бо таносуби ҳаҷмии 1:1:1 ҳамчун электролит истифода шудаанд. Пас аз фишурда маҳкам кардани ҳуҷайраҳо, онҳо барои нуфузи электролит ва устувор шудани шиддати занҷири кушода дар ҳарорати хона 10 соат нигоҳ дошта шудаанд.

Шароити ченкуниҳои электрохимиявӣ

Натиҷаҳои асосии сохторӣ ва электрохимиявӣ

Такрорпазирӣ ва камбудиҳои методӣ

Дар таҳқиқот шумораи ҳуҷайраҳои мустақил, такрорҳои озмоиш, қиматҳои миёна, инҳирофҳои стандартӣ ё санҷишҳои оморӣ зикр нашудаанд. Диаметри электрод, ғафсии рӯйпӯш, миқдори электролит ба воҳиди маводи фаъол, давомнокии импулс ва оромгузории GITT, ҳудуди басомади EIS ва параметрҳои схемаи эквивалентӣ намерасанд. Баромадҳои истеҳсоли SiO₂ ва силитсий аз шлак, ҳиссаи ниҳоии карбон, зичии электрод ва тағйироти морфологӣ пас аз даврҳо низ гузориш нашудаанд. Ин камбудиҳо пурра такрор кардани усулро дар лабораторияи дигар ва интиқоли онро ба миқёси саноатӣ маҳдуд мекунанд.

Ёддошт оид ба Манбаъ ва Усул

Номи пурраи аслии таҳқиқот: From Industrial Waste to Energy Storage: Si@C Core-Shell Anodes Derived from Coal Gasification Fine Slag for Lithium-Ion Batteries

Муаллифон ва тартиби онҳо: Chunxia Hua, Rongzheng Li, Yifan Zhao, Yuying Tong, Jinhang Li, Xiaoqin Wang, Shasha Tang, Shanxin Xiong.

Муаллифи аввали ҳамсаҳм: Дар матн маълумот дар бораи саҳми баробар ё муаллифии аввали муштарак мавҷуд нест.

Муаллифи масъул: Дар бахши муфассали “Corresponding Authors” танҳо Shanxin Xiong зикр шуда, суроғаи почтаи электронии xiongsx@xust.edu.cn дода шудааст. Гарчанде дар саҳифаи унвонӣ дар паҳлуи номи Jinhang Li низ ситорача ҳаст, ин ситорача шарҳ дода нашудааст ва Jinhang Li дар бахши муаллифи масъул нишон дода нашудааст. Аз ин рӯ, мақоми муаллифи масъул будани Jinhang Li тавассути матн қатъиян тасдиқ нашудааст.

Муассисаҳо: Барои Chunxia Hua, Rongzheng Li, Yifan Zhao, Yuying Tong, Jinhang Li, Xiaoqin Wang ва Shanxin Xiong муассисаи College of Chemistry and Chemical Engineering, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054, P. R. China; барои Shasha Tang муассисаи Shandong Institute of Nonmetallic Materials, Jinan 250031, P. R. China зикр шудааст. Байни нишон додани танҳо як муассиса дар саҳифаи унвонӣ ва маълумоти муфассали муаллифон фарқ вуҷуд дорад.

DOI: 10.2139/ssrn.7196252. Ин DOI ба сабти preprint дар SSRN тааллуқ дорад; DOI-и мақолаи маҷаллаи тақризшуда нест.

Маҷалла ё конфронс: Нашри тасдиқшуда дар маҷаллаи тақризшаванда ё конфронс мавҷуд нест.

Платформаи нашр: SSRN.

Ношири аслӣ: Таҳқиқот ношири аслии тасдиқшуда надорад. SSRN платформаи preprint аст ва набояд ҳамчун ношир арзёбӣ шавад. Платформа дар зерсохтори Elsevier Inc. фаъолият мекунад.

Соли нашр: Соли сабти SSRN — 2026 аст. Дар PDF санаи дақиқи алоҳидаи навиштан, қабул ё нашри тақризшуда дода нашудааст.

Навъи манбаъ: Preprint-и таҳқиқоти таҷрибавии маводшиносӣ ва электрохимия.

Вазъи тақриз: Ин таҳқиқот preprint буда, аз тақризи илмӣ нагузаштааст. Дар ҳар саҳифаи матн огоҳии “This preprint research paper has not been peer reviewed” мавҷуд аст.

Пайвандҳои расмии манбаъ:Саҳифаи расмии сабти SSRN ва Пайванди DOI.

Вазъи маълумоти иловагӣ: Дар матн пайванди маълумоти иловагӣ дар шакли ҷойнишини нотамоми “https://pubs. XXX” боқӣ гузошта шудааст. Ин пайванд манбаи расмии қобили истифодаи маълумоти иловагӣ нест.

Ин мақолаи туркӣ тавассути баррасии матн, усули таҷриба, формулаҳо, расмҳо, графикҳо ва спектрҳои таҳқиқоти боргузоришудаи 41-саҳифагӣ таҳия шудааст. Натиҷаи нави таҷрибавие, ки дар таҳқиқот набуд, ё бозёфти илмии аз манбаи беруна гирифташуда илова нашудааст. Санҷиши беруна танҳо барои маълумоти библиографӣ, ба монанди DOI, сабти SSRN, платформа ва вазъи нашр истифода шудааст.

Маҳдудиятҳои асосии таҳқиқот инҳоянд: аз тақризи илмӣ нагузаштан, истифодаи як манбаи шлак, дода нашудани маълумоти такрор ва омор, маҳдуд будани озмоишҳо ба нимҳуҷайраҳои литийи металлӣ бо боргузории паст, анҷом додани танҳо 100 давр, набудани тасдиқи ҳуҷайраи пурра ва миқёси таҷрибавию саноатӣ, чен нашудани миқдори воқеии карбон ва баромади маҳсулот, инчунин пешниҳод нашудани таҳлили экологӣ ё техникӣ-иқтисодӣ. Номувофиқатиҳо дар формулаи 2, нисбатдиҳии пики O 1s, аломатҳои муаллифи масъул, маълумоти муассисаҳо ва пайванди маълумоти иловагӣ низ аз ҷумлаи масъалаҳое мебошанд, ки пеш аз нашри ниҳоӣ бояд ислоҳ шаванд.

Ин таҳқиқот preprint-и аз тақризи илмӣ нагузашта аст; натиҷаҳои он бояд бо дарназардошти ин маҳдудият хонда шаванд. Бозёфтҳо барои синтези мавод дар миқёси лабораторӣ ва санҷишҳои нимҳуҷайраи CR2032 эътибор доранд. Таҳқиқот далели муваффақият дар миқёси саноатӣ, бартарии хароҷоти тиҷоратӣ, бехатарии дарозмуддат ё нишондиҳандаҳо дар бастаҳои воқеии батареяҳоро пешниҳод намекунад.