Tungsten (W) dilapisi ke anoda silikon (Si) pada skala nano melalui metode deposisi penguapan fisik (PVD) untuk meningkatkan sifat elektrokimia. Karakteristik elektroda diidentifikasi dengan pemindaian mikroskop elektron (SEM), mikroskop elektron transmisi (TEM), analisis sinar-X dispersi energi, dan mikroanalisis sinar-X probe elektron. Dengan analisis sifat elektrokimia, kapasitas pengisian pertama sel elektroda berlapis W dan tidak berlapis adalah 2558 mAh g − 1 dan 1912 mAh g − 1 , masing-masing. Pada siklus ke-50, rasio kapasitas masing-masing adalah 61,1 dan 25,5%. Perubahan morfologi pada anoda Si berlapis W selama siklus diamati menggunakan SEM dan TEM, dan karakteristik elektrokimia diperiksa melalui analisis impedansi. Karena konduktivitas dan sifat mekaniknya dari lapisan atomik lapisan W melalui PVD, elektroda meningkatkan kemampuan siklusnya dan mempertahankan strukturnya dari penghancuran volumetrik.
Silikon (Si) adalah salah satu elemen sumber energi paling menarik yang dapat digunakan sebagai anoda karena kapasitas spesifiknya yang tinggi (4200 mAh g − 1 ), yang 10 kali lebih tinggi dari grafit [1]. Namun, Si mengalami ekspansi volumetrik yang bermasalah selama proses pengisian dan pengosongan, dan ekspansi menyebabkan perubahan volume kisi 300% [2,3,4,5]. Hal ini menyebabkan retak dan disintegrasi elektroda, yang menyebabkan hilangnya bahan aktif, penurunan kontak listrik, dan akhirnya degradasi sifat listrik. Selain itu, konduktivitas listrik yang rendah dari Si menjadi penghalang penggunaannya sebagai bahan elektroda.
Oleh karena itu, metode untuk meningkatkan sifat elektrokimia elektroda Si sangat menarik, dan penelitian ekstensif telah dilakukan untuk memecahkan masalah yang terkait dengan elektroda Si, seperti menggunakan elektroda dengan komposisi komposit karbon (C), struktur multidimensi, dan logam. -bentuk paduan [6,7,8,9,10,11,12]. Secara khusus, untuk metode bahan aktif yang digunakan dalam shockproofing, banyak penelitian telah mengejar pendekatan untuk melapisi subjek dengan berbagai bahan [13,14,15,16]. Bahan konduktif seperti karbon, paduan logam, dan bahkan polimer konduktif telah digunakan untuk menahan efek ekspansi, dan mereka tidak hanya memberikan efek buffering tetapi juga meningkatkan transportasi muatan. Namun, metode penelitian ini memiliki keterbatasan terkait penggunaannya dalam aplikasi komersial karena prosedur fabrikasinya yang terperinci.
Deposisi penguapan fisik (PVD) menghasilkan lapisan seragam pada substrat pada skala nanometer untuk terlihat melalui proses deposisi atom [17,18,19,20]. Teknik serbaguna ini dapat diterapkan di berbagai bidang untuk memungkinkan pengendapan setiap jenis bahan anorganik dan bahkan beberapa bahan organik. Selain itu, karena metode ini menginduksi resistensi yang lebih rendah daripada deposisi kimia dengan lapisan rapat yang dibentuk oleh nukleasi dan pertumbuhan heterogen [21], sifat mekanik seperti ketahanan aus dan kekerasan sangat meningkat.
Pada penelitian ini elektroda Si dilapisi dengan tungsten (W) menggunakan metode PVD untuk memberikan lapisan penyangga dan meningkatkan konduktivitasnya. Di antara semua logam dalam bentuk murni, W memiliki kekuatan tarik tertinggi dan kekerasan superior [22, 23]. Selain itu, Hornik et al. [24] mempelajari pengaruh PVD W oleh sputtering magnetron pada substrat keramik dan menunjukkan bahwa lapisan W dapat berfungsi sesuai untuk substrat dengan kekerasan rendah atau ketahanan aus. Dengan menerapkan nanolayer W ke permukaan elektroda, sifat elektrokimia dan morfologi elektroda Si diperiksa menggunakan berbagai teknik analisis. Aplikasi nanolayer W ini menunjukkan peningkatan sifat elektrokimia dan keamanan struktural yang berkelanjutan.
Elektroda Si dibuat menggunakan metode pengecoran dengan 40 berat Si nanopowder (≤ 100 nm), 40 berat Denka Black sebagai bahan konduktif, dan karboksimetil selulosa sebagai pengikat. Zat-zat ini dilarutkan dalam air deionisasi untuk membentuk bubur. Bubur tersebut kemudian dilapisi pada selembar kertas tembaga (50 m) dan dikeringkan pada suhu 70 °C selama 1 jam. Pelapisan W elektroda Si dilakukan menggunakan metode PVD (Gbr. 1) di Dongwoo Surface Tech Co., Ltd. Gas Ar digunakan sebagai generator plasma pada 100 °C, dan pengendapan W dilakukan selama 5 menit. Permukaan elektroda W yang terdeposit diperiksa dengan scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), electron probe X-ray microanalysis (EPMA), dan energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX).
Skema deposisi uap fisik untuk pelapisan W
Sel uji dirakit dengan sel koin tipe CR2032 di ruang kering. Elektroda anoda Si dilubangi hingga ukuran 14Φ, dan elektroda lawan dilubangi dari kertas lithium hingga ukuran 16Φ. Berat terukur dari nanolayer W yang sesuai dengan elektroda berukuran 14Φ adalah sekitar 0,0001 g. Elektrolit yang digunakan adalah 1 M LiPF6 dengan campuran yang terdiri dari etilen karbonat, dimetil karbonat, dan etilen metil karbonat dengan volume yang sama (Otak Jiwa, Republik Korea). Semua sel dibuat di ruang kering. Sel yang dirakit didiamkan selama 24 jam pada 40 °C.
Uji elektrokimia galvanostatik dilakukan menggunakan instrumen WBCS 3000 (WonATech Inc., Republik Korea). Proses pengisian dan pengosongan dilakukan antara 0 dan 1,5 V dengan laju arus spesifik untuk setiap proses. Setelah siklus, pengamatan permukaan elektroda Si berlapis W dan tidak berlapis dilakukan. Selain itu, uji impedansi dilakukan pada frekuensi 10 − 2 sampai 10 5 Hz dengan amplitudo AC 5 mV (SOLATRON SI1280B) untuk membandingkan efek pelapisan.
Gambar 2 menunjukkan gambar SEM dari elektroda Si yang tidak dilapisi (a) dan berlapis W (b) murni. Karena elektroda terdiri dari bubuk nano Si dengan ukuran kurang dari 100 nm, bubuk tersebut mempertahankan ukuran aslinya. Namun, karena pengendapan fisik W ke elektroda yang dilapisi, setiap partikel tampaknya ditutupi dengan lapisan W, dan ukuran keseluruhan partikel meningkat menjadi sekitar 100 hingga 120 nm. Analisis EDX dari elemen dalam kotak merah gambar SEM (Gbr. 2b) mengungkapkan keberadaan W (Gbr. 2d). Selain itu, EPMA mengonfirmasi bahwa W yang disimpan terdistribusi secara merata (Gbr. 3).
Memindai gambar mikroskop elektron dan profil sinar-X dispersif energi dari a murni yang tidak dilapisi dan c dan dilapisi b dan d Permukaan elektroda si
Analisis TEM dengan depth profiling dilakukan untuk mengetahui ketebalan lapisan W. Gambar 4 menegaskan bahwa lapisan W (putih) yang diendapkan pada nanopartikel Si (hitam) memiliki kedalaman sekitar 40 nm. Lapisan W juga menutupi celah antara bubuk Si dan bahan elektroda lainnya. Dari pengujian di atas, terlihat bahwa lapisan W yang dilapisi melalui metode PVD terbentuk dengan baik pada skala nanometer.
a Memindai gambar mikroskop elektron dan probe elektron hasil pengukuran mikroanalisis sinar-X b C, c Si, dan d K
a Gambar mikroskop elektron transmisi dan b profil kedalaman elektroda Si berlapis-W
a Analisis EIS untuk elektroda Si yang tidak dilapisi dan yang dilapisi W sebelum siklus dan b plot yang setara
Profil kapasitas pengisian/pengosongan untuk elektroda Si yang tidak dilapisi dan dilapisi W pada laju 0,1 C dan tegangan pemutusan berkisar dari 0 hingga 1,5 V selama 50 siklus
kurva dQ/dV untuk a tidak dilapisi dan b Elektroda Si berlapis W di bawah laju 0,1 C dengan rentang tegangan pemutusan 0 hingga 1,5 V (vs. Li/Li+) pada siklus ke-5, ke-10, dan ke-15
Profil tegangan untuk a tidak dilapisi dan b Elektroda Si berlapis W di bawah laju 0,1 C dengan rentang tegangan pemutusan 0 hingga 1,5 V (vs. Li/Li+) pada siklus ke-5, ke-10, dan ke-15
Memindai gambar mikroskop elektron a tidak dilapisi dan b Elektroda Si berlapis W setelah 10 siklus
Tes spektroskopi impedansi elektrokimia (EIS) dilakukan untuk analisis lebih lanjut. Gambar 5 menunjukkan hasil impedansi untuk (a) elektroda Si yang tidak dilapisi dan elektroda Si yang dilapisi W dan (b) rangkaian ekivalen. Gambar menunjukkan rangkaian ekivalen berdasarkan struktur rangkaian Randles, dan Tabel 1 mencantumkan hasil pemasangan impedansi. Dalam rangkaian ekivalen, R s menunjukkan jumlah resistansi ohmik elektroda dan elektrolit, dan R ct dan C dl mewakili resistansi transfer muatan dan kapasitansi lapisan ganda, masing-masing. Elemen fase konstan (CPE) terhubung ke R ct dalam seri [25, 26]. R sei dan C sei , yang terkait dengan resistansi dan kapasitansi permukaan elektroda [27], adalah paralel.
Dengan membandingkan status awal, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5 dan Tabel 1, nilai R s dan R ct menurun karena lapisan W, sedangkan R sei meningkat karena peningkatan resistensi permukaan. Hasil ini menunjukkan bahwa, karena lapisan seragam lapisan W, konduktivitas listrik ditingkatkan, yang dapat berkontribusi pada peningkatan kapasitas dan cyclability yang stabil. Namun, peningkatan R sei dan impedansi difusi ion juga diamati, menyiratkan bahwa lapisan W dapat bertindak sebagai penghambat permeabilitas ion.
Kapasitas spesifik sel telanjang dan sel berlapis W pada laju 0,1 C selama 50 siklus diplot pada Gambar. 6. Untuk siklus pertama, kapasitas muatan sel elektroda Si berlapis W dan tidak berlapis adalah 2588 dan 1912 mAh g − 1 , masing-masing. Hal ini dapat dijelaskan oleh konduktivitas listrik W yang tinggi, yang memungkinkan elektroda Si menerima lebih banyak ion Li dan merangsang transfer muatan yang lebih cepat. Kapasitas pengosongan elektroda Si berlapis W pada siklus ke-10, ke-20, dan ke-50 adalah 1843, 1676, dan 1137 mAh g − 1 , masing-masing, dan rasio retensi dari siklus yang sama adalah 99,1, 90,1, dan 61,1%, masing-masing. Nilai untuk elektroda Si yang tidak dilapisi adalah 1132, 790, dan 452 mAh g − 1 dan 63,9, 44,6, dan 25,5%, masing-masing. Sel yang dilapisi jelas menunjukkan peningkatan kemampuan. Hasil ini disebabkan oleh lapisan W, yang membentuk lapisan penyangga dan meningkatkan konduktivitas listrik. Elektroda Si yang tidak dilapisi terkena kerusakan struktural, sedangkan elektroda Si yang dilapisi W dilindungi oleh nanolayer W, mencegah pembentukan retakan secara keseluruhan dan mengarah pada konservasi permukaan elektroda. Namun, lapisan W menyebabkan hilangnya kapasitas yang tidak dapat diubah selama setiap siklus. Karena ion Li harus bergerak melalui lapisan W yang tidak aktif, yang bukan merupakan bahan penghantar ion seperti yang dibahas dalam uji EIS, pengangkutan ion selama pemakaian mungkin lambat, yang mengakibatkan ireversibilitas.
Gambar 7 menunjukkan kurva dQ/dV dari siklus ke-5, ke-10, dan ke-15 untuk elektroda Si yang dilapisi W dan tidak. Puncak reaksi berada di daerah tegangan yang sama, yang menyiratkan bahwa proses pengisian dan pengosongan terjadi dengan reaksi yang setara [28, 29]. Hal ini menunjukkan bahwa pelapisan W tidak mempengaruhi morfologi elektroda Si tetapi hanya menutupi lapisan permukaan, dan tidak berperan sebagai bahan aktif. Ketika nomor siklus meningkat, daerah tegangan reaksi dari elektroda Si yang tidak dilapisi bergeser dan polarisasi meningkat, sedangkan daerah tegangan reaksi dari elektroda Si yang dilapisi W tetap relatif konstan. Ini menyiratkan bahwa lapisan W membantu mempertahankan stabilitas kimia. Hasil ini juga tercermin dalam profil tegangan pada Gambar 8, yang menunjukkan elektroda berlapis W mempertahankan kapasitasnya dengan tegangan reaksi berkelanjutan.
Baik elektroda Si berlapis W dan tidak dilapisi diamati oleh SEM setelah 10 siklus (Gbr. 9). Tidak ada retakan yang diamati pada elektroda Si itu sendiri, menggunakan nanopowder berukuran lebih kecil dari 100 nm [30]. Namun, perpecahan terjadi selama siklus karena perluasan seluruh elektroda. Namun demikian, elektroda Si berlapis W tetap tidak retak, menunjukkan bahwa deposisi atom oleh PVD dan kekuatan mekanik yang kuat dari W secara efektif menopang ekspansi [19, 20].
W dilapisi ke elektroda Si menggunakan prosedur PVD untuk meningkatkan kinerja elektrokimia elektroda. Lapisan pelapis tebalnya kira-kira 40 nm dan diendapkan secara seragam. Retensi kapasitas elektroda berlapis W menunjukkan peningkatan cyclability dan dipertahankan pada 61,1% melalui 50 siklus, sedangkan retensi elektroda tidak dilapisi hanya 25,5%. Permukaan dua elektroda yang berbeda diselidiki setelah bersepeda, dan pengamatan menunjukkan bahwa W bertindak sebagai lapisan penyangga. Selain itu, lapisan berlapis W menurunkan resistivitas elektroda dan meningkatkan konduktivitas listrik sel. Kami berharap aplikasi nanolayer yang mudah melalui PVD ini dapat menjadi referensi untuk desain elektroda berbasis Si di masa mendatang.
Elemen fase konstan
Spektroskopi sinar-X dispersif energi
Spektroskopi impedansi elektrokimia
Mikroanalisis sinar-X probe elektron
Deposisi penguapan fisik
Pemindaian mikroskop elektron
Mikroskop elektron transmisi
bahan nano
Pada tahun 2019, aktivitas sumber lithium-ion di Thomasnet.com melonjak, dan data pembeli B2B menunjukkan dua industri teratas yang mendorong tren tersebut adalah perangkat lunak dan teknologi, serta perawatan kesehatan dan medis. Saat ini, ada tiga pasar utama baterai lithium-ion:transportasi, pera
Dalam sebuah proyek yang diterbitkan dalam Nano Letters American Chemical Society edisi Juni 2020 Dalam jurnal, para peneliti dari Pusat Bahan Komposit (CCM) Universitas Delaware (Newark, Del., AS) telah mengembangkan elektroda baterai ultra-tebal yang diperkuat dengan serat karbon yang disejajarkan
“…Baterai lithium terbakar, dan meledak…” Tidak, bukan yang lain! Inilah yang kami katakan atau dengar orang lain katakan ketika ada berita tentang kecelakaan baterai lagi. Seperti banyak digunakan sebagai baterai lithium-ion, tidak jarang insiden serupa terjadi sesekali. Jadi di sini, di posting in
Sebagai pembawa energi listrik dan sumber daya bagi banyak perangkat, kita dapat mengatakan bahwa baterai lithium-ion sangat penting bagi kita. Tanpanya, dunia kita tidak mungkin berfungsi dengan baik. Jadi apa itu baterai lithium-ion? Dan apa yang membuatnya begitu penting? Apa itu baterai lithium-
