Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 

Рисунок 1. Морфология нанонитей германия перед внедрением и после внедрения лития и его экстракции. (а) Просвечивающая электронная микрофотография нанонити германия; (b) микрофотография, демонстрирующая изменения диаметра нанонити от основания (125 нм) до окончания (40 нм); (c) просвечивающая электронная микрофотография высокого разрешения, на которой представлен рост нанонитей германия вдоль направления [112] с двухнанометровым слоем GeOx на поверхности; (d) схематическое изображение электрохимического эксперимента; (e-g) типичное изменение морфологии нанонити; (f, g) деформация нанонити в процессе внедрения лития в кристаллическую фазу (a, c, e, g). После экстракции лития, нанонити становились пористыми и представляли собой аморфную фазу(b, d, f, h). Положение и распределение пор не изменялось.

Рисунок 2. Изменение микроструктуры в процессе внедрения лития в нанонити германия. Первоначальный диаметр нанонити германия составлял 39 нм. (a) внедрение лития начинается с поверхности и распространяется к центру нанонити; (b-d) образование аморфной фазы LixGe ; (d) диаметр нанонити увеличился до 67 нм, (e) а затем до 83 нм ; (i) на микрофотографии высокого разрешения представлена промежуточное соединение, образовавшееся в процессе внедрения лития. При движении от центра к поверхности наблюдаются слои с-Ge(ядро), a-LixGe (оболочка) и слои c-Li2O толщиной 5 нм.

Рисунок 3. Образование нанопор и их эволюция в процессе экстракции лития. (a-f) нуклеация нанопор на начальном этапе экстракции лития; (a) нанонить с внедренным литием; (b) нанонити, контактирующая с источником лития Li2O/Li; (c) появление нанопор в области экстракции лития (в области уменьшения объема); (d-f) распространение нанопор ; (g-j) появление нанопор по всей длине нанонити.

Рисунок 4. Эволюция микроструктуры нанонитей германия в процессе цикла. (a-h) обратимые изменения объема в четырех последовательных циклах внедрения лития и его экстракции. После внедрения лития увеличивался диаметр нанонитей, представляли собой кристаллическую фазу (a, c, e, g). После экстракции лития, нанонити становились пористыми и представляли собой аморфную фазу(b, d, f, h). Положение и распределение пор не изменялось.

Нанопоры в нанонитях Ge для литий-ионных батарей: новое слово?

Ключевые слова:  анодный материал, литий-ионные батареи, нанонити Ge, нанопоры

Опубликовал(а):  Бабынина Анастасия Владимировна

16 сентября 2011

Для литий-ионных батарей требуется разработка новых электродных материалов с увеличенной энергетической плотностью и стабильностью. Германий – один из наиболее перспективных материалов для анодных материалов с высокой объемной емкостью (второй после кремния). Несмотря на то, что емкостные характеристики германия на единицу массы ниже, чем у кремния (в основном из-за большой плотности), ряд преимуществ германия выделяет его из ряда претендентов. Во-первых, емкость германия значительно выше, чем теоретическая емкость углеродных материалов используемых в литий-ионных батареях. Во-вторых, германий обладает более высокой проводимостью из-за меньшей ширины запрещенной зоны (по сравнению с кремнием). В-третьих, скорость диффузии лития в германии в 400 раз выше, чем скорость диффузии лития в кремнии при комнатной температуре. В-четвертых, в отличие от кремния, германий не образует стабильных оксидов на поверхности, а соединение состава GeOx растворимо в воде. Однако, германий более дорогостоящий, что делает его менее популярным, чем кремний.

Авторы статьи изучают поведение нанонитей германия при внедрении в них и экстракции из них лития методом просвечивающей электронной микроскопии in situ.

Нанонити германия были синтезированы методом CVD. В типичном синтезе коллоидные частички золота (диаметром 100 нм) использовались в качестве катализатора, над которыми пропускалась газовая смесь германия (30% GeH4 в водороде) и фосфина (100 ppm в водороде) при давлении 3 Торр. Температура на протяжении первых 90 секунд, в течении которых происходила нуклеация, составляла 3650С , а во время роста (около 70 минут) - 2750С. На рисунке 1 представлены типичные образцы нанонитей германия, длина которых составляла порядка 10 мкм, диаметр у основания и у окончания значительно различался и составлял 125 нм и 40 нм, соответственно. Электронная дифракция и HRTEM подтверждают образования монокристаллических нанонитей германия, на поверхности которых присутствует 2 нм слой оксида германия GeOx.

Авторы статьи провели ряд экспериментов по внедрению лития в нанонити германия, а затем экстракцию лития из указанных объектов. В процессе внедрения лития диаметр нанонитей Ge увеличивался, наблюдалось удлинение нанонитей. (рисунок 2) При внедрения лития в нанонити монокристаллический германий переходил в аморфные нанонити (a-LixGe) типа ядро\оболочка. После чего сплав состава a-LixGe быстро закристаллизовался в монокристалл состава c-Li15Ge4.

В процессе экстракции лития из нанонитей наблюдалось уменьшение объема вблизи контакта нанонитей и источника лития (Li2O). Образование пор происходило в области уменьшения диаметра нанонитей (рисунок 3). Образование пор авторы объясняют как высокой скоростью транспорта Li+, так и быстрой агрегацией вакансий, образовавшихся в результате экстракции лития. Данные процессы являются достаточно эффективным механизмом релаксации напряжений. По причине образования пор и их быстрого увеличения, нанонить не уменьшилась до первоначального размера. Заметим, что в процессе экстракции лития пористые нанонити не надламывались. Кроме того, повторение цикла внедрения лития и его экстракции сопровождались обратимыми изменениями объема, схожими с дыханием.

Еще одним важным и интересным наблюдением автора являлось наблюдение эффекта памяти пор при повторении цикла. В процессе экстракции лития образовывалось много пор одинакового размера и формы, появляющихся на одном и том же месте (рисунок 4).

Возможным объяснением подобного феномена может служить следующее:

1) после первого цикла (когда поры были впервые образованы) диффузия лития происходила преимущественно вдоль поверхности внутренних пор, поэтому области около пор в первую очередь наполняются литием и происходит его экстракция.

2) в процессе внедрения лития поры в значительной степени заполняются, но никогда не схлопываются полностью, таким образом, когда наступает процесс экстракции лития, поры сохраняются на своем прежнем месте.

Авторы работы провели моделирование процесса образования пор в нанонитях. Основным достижением является вывод о возможности контроля пористости путем контроля подвижности допантов.

В литий-ионной батарее наличие пористой структуры может стать значительным преимуществом, так как нанопоры обеспечивают проводимость и более быстрый транспорт ионов, уменьшает механические напряжения, обеспечивается стабильность микроструктуры при повторении цикла. Таким образом, германии является прекрасным кандидатом с высокой энергетической плотностью, мощностью и механической стойкостью, что является преимуществом для литий-ионных батарей.





Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Солнце с молоком
Солнце с молоком

Крабовый панцирь побеждает грязную нефть
Химики МГУ разработали уникальную люминесцентную методику определения маркеров «грязной нефти» (дибензотиофенов) с использованием селективной сорбции в оптически прозрачных материалах на основе сшитых гелей хитозана.

Перст-дайджест
В новом выпуске бюллетеня «ПерсТ»: Броуновское движение скирмионов.Растягиваем графен правильно. Красное вино, кофе и чай помогают создавать материалы для гибкой носимой электроники. Металлическая природа кремния и углерода.

К 2023 году российские химики могут занять 4-е место в мире
Эксперты отметили рост числа научных публикаций отечественных ученых и сообщили, что к 2023 году российские химики могут занять 4-е место в мире по публикационной активности.
27 – 29 ноября в рамках юбилейных мероприятий Химического факультета МГУ и торжественной церемонии закрытия Международного года Периодической таблицы химических элементов эксперты подвели итоги 2019 г.

Константин Жижин, член-корреспондент РАН: «Бор безграничен»
Наталия Лескова
Беседа с К.Ю. Жижиным, заместителем директора Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова по научной работе, главным научным сотрудником лаборатории химии легких элементов и кластеров.

Мембраны правят миром
Коллектив авторов, Гудилин Е.А.
Ученые МГУ за счет детального изучения структурных и морфологических характеристик материалов на основе оксида графена и 2D-карбидов титана, а также моделирования их свойств, улучшили методы создания мембран для широкого круга практических применений.

Лекция про Дмитрия Ивановича и Наномир на Фестивале науки
Е.А.Гудилин и др., Фестиваль науки
В дни Фестиваля науки «NAUKA 0+» на Химическом факультете МГУ ведущие ученые познакомили слушателей с самыми современными достижениями химии. Ниже приводится небольшой фоторепортаж 1 дня и расписание лекций.

Технонано

Технопредпринимательство - идея, которая принесет свои плоды при бережном культивировании и взращивании. И наша наноолимпиада, и Наноград от Школьной Лиги РОСНАНО, и проект Стемфорд, и другие замечательные инициативы - важные шаги на пути реализации этой и других идей, связанных с развитием новых высоких технологий в нашей стране и привлечением молодых талантов в эту вполне стратегическую область. Ниже приведен небольшой опрос, который позволит и нам, и вам понять, а что все же значит этот модный термин, и какова его суть.

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.