Ushbu tadqiqot litiy-ion batareyalarda qo‘llaniladigan g‘ovak kremniy anodlarini NaCl–KCl–MgCl₂ eritilgan tuzi ichida qaytar Mg₂Si/Si o‘zgarishiga asoslangan juftlashtirilgan elektroliz usuli bilan ishlab chiqarishni o‘rgangan. Mg₂Si anod tomonida magniydan ajralib, ierarxik g‘ovak kremniyga aylantirilgan paytda, katoddagi mikrometr o‘lchamli kremniy yana Mg₂Si ga aylantirilgan va keyingi ishlab chiqarish siklida anod xomashyosi sifatida ishlatilgan. Eng maqbul sharoitlar Mg₂Si:Si mol nisbati 1,2:1 va hujayra kuchlanishi 1,9 V deb belgilangan. Ushbu sharoitda ishlab chiqarilgan kremniy anod %86,2 boshlang‘ich Coulomb samaradorligi, 2 A g⁻¹ tok zichligida 500 sikl oxirida 1599 mAh g⁻¹ qaytar sig‘im va %87,9 sig‘im saqlanishini ko‘rsatgan. Biroq natijalar taxminan 1,0 mg cm⁻² faol modda yuklamasiga ega litiy-metall yarim hujayralar, cheklangan miqdordagi qayta foydalanish sikllari va ekspert baholashidan o‘tmagan preprintga asoslanadi.

Tadqiqotning asosiy yangiligi elektroliz hujayrasining ikki elektrodidan bir vaqtning o‘zida qimmatli material ishlab chiqaradigan tizim sifatida foydalanishidir. An’anaviy xlorid eritmasi elektrolizida anod tomonida xlor hosil bo‘lishi mumkin bo‘lsa, ushbu dizaynda Mg₂Si ning elektrokimyoviy demagnezizatsiyasi anod reaksiyasi sifatida ishlatilgan. Anodda g‘ovak kremniy ishlab chiqarilganda ajralib chiqqan Mg²⁺ ionlari katodga ko‘chadi va u yerda mikrokremniy bilan yana Mg₂Si hosil qiladi. Shunday qilib, magniy komponenti tizimdan butunlay chiqarib yuborilmay, keyingi siklga uzatiladi.

1,9 V da olingan kremniy o‘zaro tutashgan ingichka tayoqchalar va lamellalardan tashkil topgan ochiq g‘ovak tuzilmani ko‘rsatgan. Bu tuzilma kremniy litiy qabul qilib va chiqarib turganda yuz beradigan katta hajm o‘zgarishi uchun bo‘shliq beradi, ion tashish yo‘llarini qisqartiradi va elektrolit kirishini oshiradi. Solishtirma sirt maydoni ishlov berilmagan mikrokremniydagi 11,46 m² g⁻¹ qiymatdan 1,9 V mahsulotida 56,23 m² g⁻¹ gacha oshgan. Elektrokimyoviy impedans natijalari ham ayni namunada interfeys va zaryad uzatish qarshiliklari sezilarli darajada kamayganini ko‘rsatgan.

Qayta hosil qilingan kremniyga taxminan 5 nm qalinlikdagi amorf uglerod qatlami qoplanganda boshlang‘ich Coulomb samaradorligi %86,4 ga yetgan. Uglerod bilan qoplangan anod 3 A g⁻¹ tok zichligida 500 sikl oxirida 1563,2 mAh g⁻¹ sig‘im va %88,6 sig‘im saqlanishini saqlab qolgan; 8 A g⁻¹ tok zichligida esa 923 mAh g⁻¹ bergan. Uglerod qoplamasi o‘tkazuvchi tarmoq va sirt himoyasini ta’minlagan bo‘lsa-da, qo‘shimcha kimyoviy moddalar, 700 °C issiqlik ishlovi va qo‘shimcha ishlab chiqarish bosqichlarini talab qilgan.

Turkiya nuqtai nazaridan baholash: Tadqiqot Turkiyada ishlab chiqarish miqyosida joriy etilgan batareya texnologiyasini taqdim etmaydi. Biroq u kremniy anod ishlab chiqarish, muhim materiallarni qayta aylantirish, mahalliy batareya materiallari va yuqori haroratli elektrokimyo nuqtai nazaridan o‘rganilishi mumkin bo‘lgan usulni ko‘rsatadi. Turkiyada qo‘llash imkoniyatini baholash uchun yuqoriroq elektrod yuklamalari, to‘liq hujayralar, ko‘p sonli ishlab chiqarish sikllari, energiya sarfi, magniy va tuz massa balansi, xlor emissiyasini bevosita o‘lchash, kislota va yuvish chiqindilari, xarajat tahlili hamda pilot miqyosdagi ishlab chiqarish sinovlari zarur. Ushbu tadqiqot tijoriy miqyos, mahalliy ishlab chiqarish tannarxi yoki elektr transport vositalari batareyalarida tasdiqlangan muvaffaqiyat dalilini bermaydi.

Tadqiqotning asosiy savoli nima?

Tadqiqotning asosiy savoli yuqori sig‘imli, biroq mexanik jihatdan beqaror bo‘lgan kremniy anodlarini ham g‘ovak va bardoshli tuzilishda ishlab chiqarish, ham ishlab chiqarishda qo‘llanilgan magniy komponentini qayta aylanishga kiritish mumkinmi, degan masaladir. Tadqiqotchilar Mg₂Si anod tomonida kremniyga, mikrokremniy esa katod tomonida yana Mg₂Si ga aylantiriladigan elektroliz sikli ushbu ikki maqsadni birgalikda ta’minlay oladimi, degan savolni o‘rgangan.

Tadqiqot gipotezasiga ko‘ra, mos hujayra kuchlanishida Mg₂Si dan magniy ionlarini chiqarish kremniy skeletini butunlay parchalamasdan, uni g‘ovak va ierarxik tarzda qayta tuzadi. Shu bilan bir vaqtda katodda hosil bo‘lgan Mg₂Si keyingi siklga uzatilishi va shu tariqa boshlang‘ich Mg₂Si sintezini har bir siklda takrorlash zarurati yo‘qolishi taxmin qilingan.

Kremniy anodlarining asosiy muammosi nima?

Kremniyning nazariy solishtirma sig‘imi taxminan 3579 mAh g⁻¹, tijoriy grafitning nazariy sig‘imi esa taxminan 372 mAh g⁻¹ deb berilgan. Bunday yuqori sig‘im kremniyni yangi avlod batareyalari uchun jozibador qiladi. Biroq kremniy litiy bilan qotishma hosil qilganda uning hajmi taxminan %300 gacha o‘zgarishi mumkin.

Bu katta hajm o‘zgarishi zarrachalarning yorilishi va maydalanishiga, faol material bilan tok kollektorining elektr kontaktini yo‘qotishiga hamda qattiq elektrolit interfeysining doimiy ravishda buzilib, qayta hosil bo‘lishiga olib kelishi mumkin. Qattiq elektrolit interfeysi (solid-electrolyte interphase, SEI) — elektrolitning dastlabki sikllarda qaytarilishi natijasida anod sirtida hosil bo‘ladigan qatlamdir. U barqaror bo‘lganda elektrodni himoya qilishi mumkin; doimiy ravishda buzilganda esa yangi elektrolit va litiyni sarflab, sig‘im yo‘qotilishini oshiradi.

Kremniyning zich va yirik zarrachalardan tashkil topishi litiy ionlari tuzilma ichida bosib o‘tishi kerak bo‘lgan masofani ham uzaytirishi mumkin. Bu yuqori tok zichliklarida sig‘imning kamayishiga va birinchi siklda qaytarib bo‘lmaydigan litiy sarfining ortishiga hissa qo‘shishi mumkin.

Adabiyotlarda qaysi ishlab chiqarish bo‘shlig‘i nishonga olingan?

Kremniyni yadro-qobiq, ichi bo‘sh, g‘ovak, tuxum sarig‘i-qobiq va nanotel tuzilmalarida tayyorlash hajm o‘zgarishini kamaytirishi mumkin. Biroq kimyoviy bug‘ cho‘ktirish, magneziotermik qaytarish, vakuumda magniyni chiqarish, mikroemulsiya va metall yordamidagi kimyoviy o‘yish kabi usullar qimmat prekursorlar, ko‘p bosqichli jarayonlar yoki kuchli kimyoviy yuvishlarni talab qilishi mumkin.

Mg₂Si dan g‘ovak kremniy ishlab chiqarilganda chiqarilgan magniy ko‘pgina usullarda oksid, galogenid yoki bug‘ ko‘rinishida tizimdan chiqib ketadi. Tadqiqotchilar bu yo‘qotishni kamaytirish va eritilgan xlorid elektrolizida anod tomonida yuz berishi mumkin bo‘lgan xlor ajralishini bostirish uchun ikki elektrod reaksiyasini o‘zaro bog‘lagan.

Juftlashtirilgan elektroliz nimani anglatadi?

Juftlashtirilgan elektroliz anod va katod faqat elektr jihatdan bir-birini to‘ldirishidan ko‘ra, har ikki tomonda ham maqsadli mahsulot hosil qilinishini anglatadi. Ushbu tadqiqotda anod mahsuloti g‘ovak kremniy, katod mahsuloti esa qayta ishlatiladigan Mg₂Si dir.

Anodda sodir bo‘ladigan asosiy reaksiya quyidagicha:

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

Ushbu reaksiyada Mg₂Si tarkibidagi ikki magniy atomi Mg²⁺ ionlari holida tuzilmadan ajraladi. Jami to‘rtta elektron tashqi zanjirga uzatiladi va qayta tashkil topgan kremniy skeleti qoladi. Tadqiqotchilar bu jarayonni elektrokimyoviy demagnezizatsiya deb ta’riflaydi.

Katodda sodir bo‘ladigan teskari reaksiya quyidagicha:

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

Katoddagi mikrokremniy eritmadan kelgan ikki Mg²⁺ ionini va tashqi zanjirdan kelgan to‘rtta elektronni ishlatib Mg₂Si ga aylanadi. Ushbu mahsulot keyingi elektroliz siklida anod xomashyosi sifatida ishlatilishi mumkin.

Tadqiqotda katodik Mg₂Si hosil bo‘lishining 873 K dagi Gibbs erkin energiyasi o‘zgarishi ΔG = −70,4 kJ mol⁻¹ deb berilgan. Manfiy qiymat mualliflar qo‘llagan termodinamik sharoitlarda Mg₂Si hosil bo‘lishi qulay ekanini bildiradi. HSC Chemistry 6.0 hisobiga ko‘ra Mg₂Si ning 650 °C dagi nazariy parchalanish kuchlanishi taxminan 0,18 V ni tashkil etgan. Tajribalar esa 600 °C da va 1,6–2,2 V hujayra kuchlanishlarida o‘tkazilgan. Nazariy qiymatdan yuqoriroq tajriba kuchlanishlari ortiqcha potensiallar, elektr qarshilik yo‘qotishlari, qattiq tuzilmadan Mg²⁺ chiqarish kinetikasi va kremniy skeletining qayta tuzilishini qoplash maqsadida tanlangan.

Nega tizim to‘liq yopiq emas, balki yarim yopiq sikldir?

Tizim bir xil magniy komponentini anod va katod o‘rtasida aylantira olgani uchun yarim yopiq material siklini hosil qiladi. Biroq tizim tashqaridan mikrokremniy qo‘shishni, elektrod mahsulotlarini chiqarishni, suv bilan yuvishni va anod mahsulotidagi qoldiq Mg₂Si ni olib tashlash uchun 1 M HCl dan foydalanishni talab qiladi. Uglerod qoplash bosqichida ham CTAB, rezorsinol, formaldegid, ammiak, suv, etanol va yuqori haroratli ishlov qo‘llanilgan.

Shu sababli usul barcha kirish materiallari uzluksiz qayta ishlanadigan butunlay yopiq ishlab chiqarish tizimi emas. Tadqiqotda ishlatilgan “self-cycling” iborasi ayniqsa katodda qayta hosil bo‘lgan Mg₂Si ning keyingi siklda anod xomashyosi sifatida ishlatilishini anglatadi.

Dastlabki Mg₂Si xomashyosi qanday tayyorlangan?

Birinchi elektroliz sikli uchun o‘lchami 7 µm bo‘lgan mikrokremniy va 150 µm magniy kukuni ishlatilgan. Kukunlar planetar sharli tegirmonda 400 rpm da 8 soat aralashtirilgan, so‘ng argon atmosferasida 600 °C da 5 soat tavlanib Mg₂Si hosil qilingan.

Rentgen difraksiyasi o‘lchovlarida Mg₂Si ning kubik tuzilishiga tegishli 2θ = 28,5°, 31,5° va 32,5° cho‘qqilar kuzatilgan; boshlang‘ich Mg yoki Si fazalariga tegishli aniq signallar ko‘rinmagan. Tadqiqotchilar buni boshlang‘ich aralashma bir fazali Mg₂Si ga aylangan, deb talqin qilgan.

FESEM tasvirlarida boshlang‘ich Mg₂Si zarrachalari notekis bloklar ko‘rinishida kuzatiladi. Yuqori kattalashtirishdagi tasvirlarda sirt burishgan, nanometr miqyosidagi bo‘rtmalar va egatlarga ega ekani qayd etilgan.

Eritilgan tuz elektroliz qurilmasi qanday o‘rnatilgan?

Elektrolit sifatida jami 100 g NaCl–KCl–MgCl₂ aralashmasi ishlatilgan va Na:K:Mg mol nisbati 1:1:1 qilib sozlangan. Tuz aralashmasi namlikni yo‘qotish uchun 200 °C da 12 soat quritilgan.

Mg₂Si anod xomashyosi 4 × 6 cm o‘lchamdagi nikel ko‘pikka joylashtirilib, teshikli kichik grafit tigelga qo‘yilgan va molibden sterjen orqali anod ulanishi bajarilgan. Mikrokremniy ham xuddi shu o‘lchamdagi nikel ko‘pikka joylashtirilib katod tayyorlangan. Katta grafit tigel faqat eritilgan tuzni saqlovchi idish sifatida ishlatilgan va elektr ulanishiga kiritilmagan.

Tuz 600 °C da eritilgach, elektrodlar bir vaqtda eritmaga tushirilgan va alohida tajribalarda 1,6, 1,9 yoki 2,2 V doimiy kuchlanish qo‘llangan. Yuklangan asosiy matnda elektrolizning aniq davomiyligi ochiq ko‘rsatilmagan. Bu kamchilik tajribaning takrorlanuvchanligi nuqtai nazaridan muhimdir.

Elektrolizdan so‘ng elektrodlar chiqarilgan, xona haroratigacha sovutilgan va qoldiq tuzni olib tashlash uchun deionizatsiyalangan suv ostida ultratovush bilan yuvilgan. Anod mahsuloti qoldiq Mg₂Si ni olib tashlash uchun 1 M HCl ga botirilgan va qayta tuzilgan kremniy sifatida yig‘ilgan. Katod mahsuloti esa qayta hosil qilingan Mg₂Si sifatida olingan.

Nega 1,6 V, 1,9 V va 2,2 V turli tuzilmalarni hosil qilgan?

Qo‘llangan kuchlanish Mg²⁺ ni chiqarish tezligi bilan kremniy skeletining qayta tuzilish tezligi o‘rtasidagi muvozanatni o‘zgartirgan.

• 1,6 V: Mahsulot asosan zich granulali to‘plamlardan iborat bo‘lgan. Ochiq g‘ovaklar cheklangan va aniq ierarxik tuzilma rivojlanmagan. Mualliflar buni Mg chiqarilishi asosan kirish mumkin bo‘lgan sirtlarda qolib, massa ichidagi o‘zgarish yetarli bo‘lmaganiga bog‘laydi.
• 1,9 V: Ingichka va o‘zaro tutashgan nanorodlar hamda lamellalardan tashkil topgan ochiq, bog‘langan va ierarxik g‘ovak tarmoq hosil bo‘lgan. Mg²⁺ chiqarilishi, bo‘shliqlar to‘planishi va kremniy skeletining qayta tuzilishi o‘rtasida yanada maqbul muvozanat ta’minlangani ilgari surilgan.
• 2,2 V: Reaksiya tezroq kechgan, biroq ingichka tayoqchasimon tuzilma bilan birga qalin plastinasimon hududlar ham hosil bo‘lgan. Mualliflar sirtning tez demagnezizatsiyasi massa ichidagi Mg tashilishi va atomlarning qayta tartiblanishidan tezroq kechgan, deb baholagan.

Tadqiqotchilar 1,9 V dagi bo‘shliq hosil bo‘lishini Kirkendall tipidagi ta’sir bilan bog‘laydi. Kirkendall ta’siri komponentlarning turli tezliklarda harakatlanishi natijasida bo‘shliqlarning to‘planishidir. Biroq tadqiqot bo‘shliqlar hosil bo‘lish kinetikasini bevosita va vaqt bo‘yicha ajratilgan holda o‘lchamagan; shu sababli bu izoh mualliflarning morfologiyaga asoslangan mexanizm talqinidir.

Mikroskop tasvirlari nimani ko‘rsatadi?

FESEM tasvirlarida 1,6 V mahsuloti zich va granulali, 1,9 V mahsuloti ingichka tayoqchalar va lamellalardan tashkil topgan ochiq tarmoq, 2,2 V mahsuloti esa qalinroq plastina hududlarini o‘z ichiga olgan qo‘pol ierarxik tuzilmani ko‘rsatadi. Bu taqqoslash eng yuqori kuchlanish albatta eng ingichka yoki eng tartibli tuzilmani hosil qilmasligini ko‘rsatadi.

Azot adsorbsiyasiga asoslangan BET solishtirma sirt maydonlari quyidagicha:

TEM tasviri 1,9 V mahsulotining ingichka va ustma-ust joylashgan birliklardan tashkil topgan bo‘sh tarmog‘ini tasdiqlaydi. HRTEM tasvirida kristall kremniyning (111) tekisligiga tegishli panjara oralig‘i matnda 0,313 nm, rasm yorlig‘ida esa 0,314 nm deb berilgan. Tanlangan maydon elektron difraksiyasi naqshida (111), (220) va (311) halqalarining ko‘rinishi mahsulot polikristall tuzilishga ega ekanini qo‘llab-quvvatlaydi.

XRD, Raman va XPS natijalari o‘zgarishni qanday tasdiqlagan?

Anod mahsulotining XRD naqshida Mg₂Si cho‘qqilarining yo‘qolishi va kristall kremniy cho‘qqilarining paydo bo‘lishi Mg₂Si ning kremniyga aylanganini ko‘rsatadi.

Raman spektrida taxminan 520 cm⁻¹ da kuchli kremniy cho‘qqisi, taxminan 300 cm⁻¹ atrofida kichikroq xususiyat va taxminan 900 cm⁻¹ atrofida keng tasma kuzatilgan. Mg₂Si ga tegishli aniq Raman signali bildirilmagan.

XPS spektrida taxminan 99 eV da ustun Si–Si cho‘qqisi va taxminan 102–103 eV da sirtqi Si–O–Si turlariga tegishli kuchsiz yelka kuzatilgan. Bu natija asosiy mahsulot elementar kremniy ekanini, biroq sirtida cheklangan miqdorda oksidlangan kremniy turlari mavjudligini ko‘rsatadi.

Katodda Mg₂Si hosil bo‘lishi qaysi nisbatda yakunlangan?

Katoddagi mikrokremniyning Mg₂Si ga aylanishi anod Mg₂Si bilan katod Si xomashyosining mol nisbatini o‘zgartirish orqali baholangan.

• 1:1 nisbatda XRD va Raman o‘lchovlarida qoldiq kremniy kuzatilgan.
• 1,1:1 nisbatda ham kremniy to‘liq yo‘qolmagan.
• 1,2:1 nisbatda aniq erkin Si signali kuzatilmagan va mahsulot Mg₂Si ga mos kelgan.

Shu sababli keyingi sikllar uchun Mg₂Si:Si mol nisbati 1,2:1 tanlangan. Qayta hosil bo‘lgan Mg₂Si ning morfologiyasi va kristall tuzilishi boshlang‘ich Mg₂Si ga o‘xshash ekani bildirilgan.

Batareya elektrodlari qanday tayyorlangan?

Elektrokimyoviy sinovlar CR2032 turidagi tugmacha yarim hujayralarda o‘tkazilgan. Ishlov berilmagan µ-Si nazorat namunasi sifatida ishlatilgan; 1,6, 1,9 va 2,2 V mahsulotlari tajriba guruhlarini tashkil etgan.

Ishchi elektrod aralashmasi faol kremniy materiali, Super P o‘tkazuvchi uglerod va natriy alginat bog‘lovchidan 8:1:1 massa nisbatida tayyorlanib, mis folga ustiga qoplangan. Elektrodlar 60 °C da vakuum ostida 12 soat quritilgan. Faol modda yuklamasi taxminan 1,0 mg cm⁻² deb berilgan.

Hujayralar O₂ va H₂O darajalari 0,01 ppm dan past saqlanadigan argon bilan to‘ldirilgan qo‘lqopli qutida yig‘ilgan. Litiy metall folga ham qarshi, ham referens elektrod sifatida, Celgard 2400 polipropilen membranasi esa separator sifatida ishlatilgan. Elektrolit EC:DMC hajm nisbati 1:1 bo‘lgan erituvchida 1 M LiPF₆ va massa bo‘yicha %10 fluoroetilen karbonatdan iborat bo‘lgan. Hujayralar sinovdan oldin xona haroratida 12 soat dam oldirilgan.

Galvanostatik zaryad-razryad sinovlari 0,01–1,5 V oralig‘ida o‘tkazilgan. Siklik voltammetriya shu potensial oralig‘ida 0,1 mV s⁻¹ skanerlash tezligida bajarilgan. Elektrokimyoviy impedans spektroskopiyasi 0,01–10⁵ Hz chastota oralig‘ida va 5 mV amplitudada amalga oshirilgan.

Siklik voltammetriya qaysi reaksiyalarni ko‘rsatgan?

Birinchi katodik skanerlashda taxminan 1,49 V va 0,5 V atrofida ikkita qaytarilish cho‘qqisi kuzatilgan. Ular mos ravishda FEC qo‘shimchasining va EC erituvchisining dastlabki qaytarilishi bilan bog‘langan. Keyingi sikllarda bu cho‘qqilarning yo‘qolishi birinchi siklda SEI qatlami hosil bo‘lgan, deb talqin qilingan.

Birinchi siklda taxminan 0,1 V dagi keskin qaytarilish cho‘qqisi kristall kremniyning LixSi hosil qiladigan tarzda lityumlanishiga bog‘langan. Keyingi sikllarda bu xususiyat taxminan 0,14 V ga siljigan va sikllanish vaqtida amorflashgan kremniyning lityumlanishi bilan bog‘langan.

Anodik yo‘nalishdagi taxminan 0,36 va 0,55 V cho‘qqilar LixSi ning bosqichma-bosqich litiydan ajralishini ifodalaydi. Sikllar davomida cho‘qqi tokining ortishi kremniyning bosqichma-bosqich faollashishi va LixSi fazasining elektrokimyoviy javobi kuchayishi bilan izohlangan.

Boshlang‘ich Coulomb samaradorligi qanday o‘zgargan?

Boshlang‘ich Coulomb samaradorligi (initial Coulombic efficiency, ICE) birinchi lityumlash vaqtida berilgan sig‘imning qancha qismi birinchi delityumlash vaqtida qayta olinishi mumkinligini ko‘rsatadi. Yuqori ICE birinchi siklda SEI hosil bo‘lishi va boshqa qaytarilmas jarayonlar uchun kamroq litiy yo‘qotilganini anglatadi.

Eng yuqori ICE 1,9 V mahsulotida olingan. Mualliflar bu o‘sishni ochiq g‘ovaklarning hajm o‘zgarishi uchun bufer bo‘shliq berishi, mahalliy kuchlanishni kamaytirishi hamda elektrolit va litiy ionlarining tuzilmaga osonroq kirishi bilan bog‘laydi.

100 sikllik chidamlilik natijalari nimani ko‘rsatgan?

Elektrodlar avval 0,2 A g⁻¹ tok zichligida uch sikl faollashtirilgan, so‘ng 0,5 A g⁻¹ bilan sikllangan. Faollashtirishdan keyin 1,6, 1,9 va 2,2 V mahsulotlarining sig‘imi mos ravishda 1989,1; 2424,3 va 2418,8 mAh g⁻¹ deb bildirilgan.

100 sikl oxiridagi sig‘im saqlanishi:

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

Ishlov berilmagan µ-Si grafikda sig‘imning tez yo‘qolishini ko‘rsatgan. Biroq asosiy matnda nazorat namunasining 100. sikldagi aniq sig‘imi son jihatdan berilmagan; shu sababli grafikdan aniq qiymat chiqarib bo‘lmaydi.

Uzoq muddatli sikllanish ko‘rsatkichi qanday?

Eng maqbul namuna deb belgilangan Si-1,9 V elektrod dastlabki uchta past tokli faollashtirish siklidan keyin 2 A g⁻¹ tok zichligida 500 sikl davomida sinovdan o‘tkazilgan. Asosiy matn va annotatsiya 500. sikl sig‘imini 1599 mAh g⁻¹, sig‘im saqlanishini esa %87,9 deb beradi.

Tadqiqotning xulosa bo‘limida ayni sig‘im 1597,5 mAh g⁻¹ deb yozilgan. Bu kichik farq manba ichida yechilmagan sonli nomuvofiqlikdir; mazmunda asosiy natijalar bo‘limidagi 1599 mAh g⁻¹ qiymati ishlatilgan, farq esa manba izohida saqlangan.

Yuqori tokdagi ishlash ko‘rsatkichi qanday?

Si-1,9 V elektrodining ortib boruvchi tok zichliklaridagi qaytar sig‘imi quyidagicha:

Tok zichligi ortgani sayin sig‘imning kamayishi kutiladigan tendensiyadir; ionlar va elektronlarning reaksiyani yakunlashi uchun kamroq vaqt qoladi. Tayoqchasimon g‘ovak tuzilmaning qisqa litiy-ion yo‘llari va uzluksiz tashish tarmog‘ini hosil qilishi yuqori tokda sig‘imning saqlanishi bilan bog‘langan.

Qayta hosil qilingan Mg₂Si haqiqatan ham yana ishlatilganmi?

Katodda birinchi siklda hosil qilingan Mg₂Si ikkinchi elektroliz tajribasida 1,9 V da anod xomashyosi sifatida ishlatilgan. Olingan mahsulot re-Si-1,9 V deb nomlangan va dastlab sintez qilingan Mg₂Si dan ishlab chiqarilgan Si-1,9 V bilan taqqoslangan.

Re-Si-1,9 V uchun bildirilgan natijalar:

• Boshlang‘ich Coulomb samaradorligi: %85,6,
• 0,2 A g⁻¹ da qaytar sig‘im: 2486,5 mAh g⁻¹,
• 2 A g⁻¹ da 500 sikl oxiridagi sig‘im: 1514,5 mAh g⁻¹,
• 500 sikldagi sig‘im saqlanishi: %84,3,
• 8 A g⁻¹ da sig‘im: 785 mAh g⁻¹.

Bu qiymatlar qayta hosil qilingan Mg₂Si dan kamida keyingi bitta elektroliz siklida foydalanish mumkinligini ko‘rsatadi. Biroq tadqiqot ko‘p sonli ketma-ket ishlab chiqarish sikllarini, har bir sikldagi magniy yo‘qotilishini, aralashmalar to‘planishini, tuz tarkibining o‘zgarishini yoki mahsulot unumining uzoq muddatli barqarorligini baholamagan. Shu sababli bu natija cheksiz va yo‘qotishsiz o‘z-o‘zini sikllashning isboti emas.

Impedans natijalari ion tashilishi haqida nimani ko‘rsatgan?

Elektrokimyoviy impedans spektroskopiyasi 0,5 A g⁻¹ da 10 sikldan keyin qo‘llangan. Ekvivalent zanjir modeli eritma qarshiligi, SEI qatlami qarshiligi, zaryad uzatish qarshiligi va doimiy faza elementlarini o‘z ichiga oladi.

Si-1,9 V elektrod ishlov berilmagan µ-Si ga nisbatan pastroq SEI va zaryad uzatish qarshiligini ko‘rsatgan. Bildirilgan litiy-ion diffuziya koeffitsienti taxminan bir kattalik tartibiga oshgan. Si-2,2 V uchun hisoblangan D_Li+ qiymati biroz yuqoriroq bo‘lsa-da, 1,9 V namunasi pastroq interfeys qarshiliklari, ingichkaroq tayoqchasimon morfologiya va kamroq energiya sarfi sabab umumiy optimum sifatida tanlangan.

Diffuziya koeffitsientlarini hisoblashda ishlatilgan batafsil tenglamalar qo‘shimcha ma’lumot faylidagi S1 va S2 tenglamalariga yo‘naltirilgan; yuklangan asosiy matnda bu tenglamalarning to‘liq keltirib chiqarilishi mavjud emas. Shu sababli hisobni mustaqil ravishda to‘liq qayta tekshirishning imkoni yo‘q.

Uglerod qoplamasi qanday tayyorlangan?

1,9 V da ishlab chiqarilgan g‘ovak Si CTAB, rezorsinol va %37 formaldegid eritmasini o‘z ichiga olgan suv-etanol aralashmasiga dispersiyalangan; ammiak katalizator sifatida ishlatilgan. Aralashma 35 °C da 6 soat aralashtirilgan, 12 soat qaritilgan va hosil bo‘lgan rezorsinol-formaldegid bilan qoplangan mahsulot yig‘ilgan. Mahsulot argon atmosferasida 700 °C da tavlanib Si-1,9 V@C olingan.

HRTEM tasviri kremniy sirtida taxminan 5 nm qalinlikdagi uzluksiz amorf uglerod qatlamini ko‘rsatadi. Element xaritalarida Si, O va C birgalikda kuzatilgan; uglerod kremniy skeleti bo‘ylab taqsimlangani bildirilgan. Raman spektrida taxminan 520 cm⁻¹ kremniy cho‘qqisi bilan birga uglerodning tartibsiz D tasmasi taxminan 1350 cm⁻¹ va grafitik G tasmasi taxminan 1580 cm⁻¹ atrofida kuzatilgan.

Uglerod qoplamasi ishlash ko‘rsatkichini qanchalik o‘zgartirgan?

Si-1,9 V@C elektrod birinchi siklda 2479,7 mAh g⁻¹ zaryad sig‘imi va %86,4 ICE ko‘rsatgan. 8 A g⁻¹ tok zichligida 923 mAh g⁻¹ sig‘im olingan; bu qiymat qoplamasiz Si-1,9 V uchun bildirilgan 791,8 mAh g⁻¹ qiymatidan yuqori.

3 A g⁻¹ tok zichligida 500 sikl oxirida:

• Si-1,9 V@C sig‘imi 1563,2 mAh g⁻¹,
• Si-1,9 V@C sig‘im saqlanishi %88,6,
• Rasmda qoplamasiz Si-1,9 V uchun sig‘im saqlanishi %75,5 deb ko‘rsatilgan.

Mualliflar uglerod qatlami elektron o‘tkazishni osonlashtirishi, elektrolit bilan yon reaksiyalarni kamaytirishi va SEI qatlamini himoya qilishini ta’kidlaydi. G‘ovak kremniy skeleti esa hajm o‘zgarishi uchun jismoniy bo‘shliq beradi. Tadqiqot ushbu ikki ta’sir birgalikda ishlash ko‘rsatkichini oshirishini ilgari suradi.

Tadqiqotning kuchli tomonlari nimalardan iborat?

• Anod va katod reaksiyalarini bir xil ishlab chiqarish siklida qimmatli mahsulotlarga aylantiradigan juftlashtirilgan elektroliz dizaynini taqdim etgan.
• Mg₂Si dan kremniyga o‘zgarishni XRD, Raman va XPS bilan; morfologiyani FESEM, TEM, HRTEM va SAED bilan ko‘p usulli tarzda tasdiqlagan.
• Elektroliz kuchlanishining tuzilishga ta’sirini 1,6, 1,9 va 2,2 V sharoitlarida taqqoslagan.
• Ishlov berilmagan mikrokremniyni nazorat sifatida ishlatgan.
• G‘ovaklik, sirt maydoni, elektrokimyoviy ishlash va impedans natijalari o‘rtasida izchil tuzilma–ishlash bog‘liqligini o‘rnatgan.
• Katodda qayta hosil bo‘lgan Mg₂Si ni keyingi elektroliz siklida amalda ishlatib, qayta aylanish g‘oyasiga tajribaviy dalil bergan.
• Qoplamasiz va uglerod bilan qoplangan kremniyning yuqori tokdagi va 500 sikllik ishlashini baholagan.
• Uglerod qoplamasi tuzilmani buzmasligini HRTEM va element xaritalash yordamida o‘rgangan.

Tadqiqotning asosiy cheklovlari nimalardan iborat?

• Tadqiqot ekspert baholashidan o‘tmagan preprintdir.
• Elektrolizning aniq davomiyligi asosiy tajriba bo‘limida ochiq bildirilmagan.
• Har bir elektrokimyoviy sharoitda nechta mustaqil hujayra yoki material partiyasi ishlatilgani ko‘rsatilmagan.
• Sig‘im grafiklarida standart og‘ish, ishonch oralig‘i yoki hujayralararo o‘zgaruvchanlik berilmagan.
• Guruhlar o‘rtasida statistik ahamiyatlilik testi yoki p qiymati bildirilmagan.
• Sinovlar litiy-metall qarshi elektrodli yarim hujayralarda va taxminan 1,0 mg cm⁻² faol yuklama bilan o‘tkazilgan.
• Tijoriy katodli to‘liq hujayra, stack yoki paket darajasidagi tajriba mavjud emas.
• O‘z-o‘zini sikllovchi ishlab chiqarish faqat katodda olingan Mg₂Si ning keyingi siklda qayta ishlatilishi bilan ko‘rsatilgan; ko‘p sonli ishlab chiqarish sikllari o‘rganilmagan.
• Mahsulot unumi, tok samaradorligi, Faraday samaradorligi, magniy massa balansi va har bir sikldagi material yo‘qotilishi bildirilmagan.
• Xlor gazi bostirilgani ilgari surilgan bo‘lsa-da, bevosita xlor o‘lchovi yoki gaz tahlili taqdim etilmagan.
• Eritilgan tuzni qayta ishlatish soni va aralashmalar to‘planishi baholanmagan.
• 1 M HCl bilan yuvish va uglerod qoplamasida ishlatilgan kimyoviy moddalarning chiqindi yuklamasi o‘lchanmagan.
• 600–700 °C issiqlik ishlovlarining energiya sarfi hisoblanmagan.
• Hayotiy sikl baholashi, texnoiqtisodiy tahlil yoki pilot ishlab chiqarish bajarilmagan.
• “Barqaror”, “arzon” va “masshtablanuvchan” sifatlari bevosita xarajat, energiya va atrof-muhit ta’siri ma’lumotlari bilan tasdiqlanmagan.
• Manbada ayrim sonli, rasm va reaksiya yozuvi nomuvofiqliklari mavjud.

Tadqiqot nimani qo‘llab-quvvatlaydi?

Tadqiqot Mg₂Si ni NaCl–KCl–MgCl₂ eritilgan tuzida elektrokimyoviy yo‘l bilan g‘ovak kremniyga aylantirish mumkinligini qo‘llab-quvvatlaydi. Mos kuchlanishda hosil bo‘lgan ierarxik tayoqchasimon va lamellali tuzilma ishlov berilmagan mikrokremniyga nisbatan yuqoriroq birinchi sikl samaradorligi, pastroq interfeys qarshiligi, tezroq litiy-ion tashilishi va yaxshiroq sikl barqarorligi bilan birga kuzatilgan.

Tadqiqot shuningdek katodda ishlab chiqarilgan Mg₂Si dan kamida keyingi bitta elektroliz siklida anod xomashyosi sifatida foydalanish va o‘xshash ishlashga ega g‘ovak kremniy ishlab chiqarish mumkinligini ko‘rsatadi.

Tadqiqot nimani isbotlamaydi?

Tadqiqot usul sanoat miqyosida iqtisodiy ekanini, magniy yo‘qotishsiz va cheksiz ravishda qayta aylantirilishini yoki xlor emissiyasi butunlay yo‘q qilinganini isbotlamaydi. Ko‘p siklli ishlab chiqarish, pilot qurilma, to‘liq material balansi va emissiya o‘lchovlari bajarilmagan.

Yarim hujayralardagi solishtirma sig‘im qiymatlari ayni ishlash tijoriy to‘liq hujayralarda, yuqori areal sig‘imli qalin elektrodlarda yoki batareya paketlarida ham olinadi degani emas. Tadqiqot hujayra darajasidagi energiya zichligi, kalendar umr, tez zaryadlash xavfsizligi, shishish, gaz hosil bo‘lishi yoki uzoq muddatli saqlash ma’lumotlarini bermaydi.

Uglerod qoplamasi yaxshiroq sikllanish ko‘rsatkichini bergan bo‘lsa-da, qoplama ishlab chiqarish xarajati, energiya sarfi va ekologik yukni kamaytiradimi yoki yo‘qmi, baholanmagan.

Uning o‘tmish, bugun va kelajak nuqtai nazaridan ahamiyati nimada?

O‘tmish nuqtai nazaridan: Kremniyning yuqori sig‘imi anchadan beri ma’lum, biroq hajm o‘zgarishi va ishlab chiqarish murakkabligi qo‘llanishni cheklab kelmoqda. Oldingi Mg₂Si asosidagi o‘zgarishlarda magniy ko‘pincha qayta tiklab bo‘lmaydigan yon mahsulot yoki bug‘ holida chiqarilgan.

Bugungi hissa: Ushbu tadqiqot tuzilma muhandisligi bilan materiallarni qayta aylantirishni bir elektroliz hujayrasida birlashtirgan. 1,9 V kuchlanish ingichka, g‘ovak va bog‘langan kremniy tuzilmasi uchun eng maqbul tajribaviy muvozanatni ta’minlashi ko‘rsatilgan.

Kelajak nuqtai nazaridan: Usulning haqiqiy ishlab chiqarish qiymati ko‘p sonli uzluksiz elektroliz sikllari, yuqori mahsulot unumi, yuqori areal yuklamali to‘liq hujayralar, eritilgan tuzning uzoq muddatli barqarorligi, xlorni bevosita o‘lchash, uzluksiz jarayon dizayni va hayotiy sikl baholashi orqali aniqlanishi mumkin. Agar ushbu tekshiruvlar bajarilsa, usul kremniy anod ishlab chiqarishda material yo‘qotilishini kamaytiradigan elektrokimyoviy qayta aylantirish yondashuviga aylanishi mumkin.

Tadqiqot Usuli va Natijalari

Tajriba usulining texnik xulosasi

Elektrokimyoviy sinov sharoitlari

Asosiy elektrokimyoviy natijalar

Manba ichidagi tahririy nomuvofiqliklar

Asosiy elektrod reaksiyalari zaryad va atom balansi jihatidan izchil bo‘lgan to‘rt elektronli shaklda berilgan. Qayta foydalanish paragrafidagi ikki elektronli va bitta Mg²⁺ ionli ifoda asosiy reaksiya bilan mos kelmagani uchun yashirincha tuzatilmagan, bu yerda manba ichidagi nomuvofiqlik sifatida ko‘rsatilgan.

Manba va Usul Haqida Izoh

Tadqiqotning to‘liq asl nomi: Self-Cycling Fabrication of High-Performance Silicon Anodes via Reversible Mg2Si/Si Conversion in Molten-Salt Paired Electrolysis

Mualliflar, to‘g‘ri tartibda: Xiaoyu Zhao; Juan Liu; Jian Liu; Wenhao Chen; Ya Zheng; Jingwei Hu; Yongzhi Wang; Xiaocheng Li.

Teng birinchi muallif yoki teng hissa: Matnda teng birinchi mualliflik yoki teng hissa haqida bayonot mavjud emas.

Mas’ul muallif: Xiaocheng Li — xiaocheng_li@jxust.edu.cn.

Institutsional aloqalar:

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

DOI:10.2139/ssrn.7201057

SSRN ro‘yxat raqami: 7201057.

Jurnal: Ekspert baholangan jurnal nomi yoki chop etilgan yakuniy jurnal versiyasi tasdiqlanmagan.

Nashr platformasi: SSRN.

Platforma operatori: Elsevier.

Nashr yili: 2026.

SSRN ga yuklangan sana: 29 iyul 2026.

Manba turi: Tajribaviy batareya materiali tadqiqoti va preprint.

Ekspert baholash holati: Ushbu tadqiqot ekspert baholashidan o‘tmagan preprintdir; natijalar ushbu cheklov hisobga olingan holda o‘qilishi kerak.

Rasmiy manba havolasi:SSRN tadqiqot yozuvi

Manfaatlar to‘qnashuvi: Mualliflar tadqiqotga ta’sir qilishi mumkin bo‘lgan ma’lum moliyaviy manfaat yoki shaxsiy munosabat mavjud emasligini bildirgan.

Moliyalashtirish: Tadqiqotda Jiangxi Province Natural Science Foundation grantlari 20252BAC250041, 20232BAB21404, 20232BAB213048 va 20242BAB20178; Ganzhou Science & Technology Program granti 2023PGX16978; National Natural Science Foundation of China granti 51862013 va Jiangxi Provincial Key Laboratory of Power Batteries & Energy Storage Materials ochiq fondi 2024SSY10011 ko‘rsatilgan. Jiangxi University of Science and Technology superhisoblash platformasiga ham minnatdorlik bildirilgan.

Ushbu turkcha izoh yuklangan tadqiqotning asosiy matni, tajriba usuli, elektrod reaksiyalari, jadvallari, XRD, Raman va XPS spektrlari, FESEM va TEM tasvirlari, BET egri chiziqlari, siklik voltammetriya, zaryad-razryad grafiklari, impedans o‘lchovlari va natijalari asosida tayyorlangan. Tadqiqotda mavjud bo‘lmagan ilmiy natijalar, tijoriy muvaffaqiyat da’volari yoki sanoat miqyosiga oid xulosalar qo‘shilmagan. Tashqi manbalardan faqat DOI, SSRN sanasi, platforma va nashr holatini bibliografik tasdiqlash uchun foydalanilgan.

Tadqiqotning asosiy cheklovlari — ekspert baholashining yo‘qligi, elektroliz davomiyligining ochiq berilmagani, mustaqil takrorlar va xato taqsimotlarining hisobot qilinmagani, tajribalar past faol modda yuklamali litiy yarim hujayralar bilan cheklangani, to‘liq hujayra sinovining yo‘qligi, Mg₂Si ni qayta aylantirish faqat keyingi ishlab chiqarish siklida ko‘rsatilgani, xlor emissiyasi bevosita o‘lchanmagani, mahsulot va energiya samaradorligi bildirilmagani hamda masshtabni kengaytirish, hayotiy sikl va xarajat tahlillari bajarilmaganidir.

Manbada 500 sikl sig‘imi, HRTEM panjara oralig‘i, qayta foydalanish reaksiyasi va EIS jadvali havolasi bo‘yicha tahririy nomuvofiqliklar mavjud. Bu farqlar ilmiy mazmun tayyorlanayotganda yashirilmagan va tegishli bo‘limlarda ochiq ko‘rsatilgan.

Tadqiqot taklif qilingan usul tijoriy batareya ishlab chiqarishga tayyor ekanini, cheksiz miqdorda yopiq sikl ta’minlashini, xlor hosil bo‘lishini butunlay yo‘q qilishini yoki elektr transport vositalari batareyalarida ayni ishlashni ko‘rsatishini isbotlamaydi. Bunday da’volar uchun pilot ishlab chiqarish, ko‘p siklli material balansi, to‘liq hujayra, yuqori yuklamali elektrod, xavfsizlik, xarajat va ekologik ta’sir tajribalari zarur.