شماره ركورد
34685
پديد آورنده
هليا مهدوي عادلي
عنوان
بررسي ساختار، ريزساختار و عملكرد الكتروشيميايي كامپوزيتهاي سيليكون- كربن به عنوان آند باتري ليتيوم-يون
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
مهندسي مواد و متالورژي
سال تحصيل
1401
تاريخ دفاع
1404/7/30
استاد راهنما
دكتر مسعود هاشمي نياسري و دكتر سميه اعلم الهدي
استاد مشاور
-
دانشكده
مهندسي مواد و متالورژي
چكيده
هدف از اين پژوهش، بررسي اثر همافزايي افزودني رساناي مس و مواد كربني شامل اكسيد گرافن و و نانووب كربني بر عملكرد الكتروشيميايي و پايداري آندهاي سيليكوني به منظور غلبه بر چالش هاي انبساط حجمي شديد (حدود %400)، رسانايي الكتريكي ضعيف و فاز مياني جامد-الكتروليت ناپايدار آندهاي مبتني بر سيليكون است. سنتز كامپوزيتهاي سيليكون-مس با استفاده از روش سوبدهي و احياي شيميايي در محيط تر انجام شد و كامپوزيتهاي سه جزئي سيليكون-مس-ماده كربني به وسيلهي روش ساده آسياكاري مكانيكي تهيه گرديدند. در ميان نمونهها، كامپوزيت سه جزئي سيلكون-مس- گرافن اكسايد كاهشيافته داراي بهترين عملكرد بود؛ كه در آن نانوذرات سيليكون درون يك پوسته رساناي مسي محصور شده و بر روي چارچوبي از گرافن اكسيد كاهشيافته (rGO) تثبيت شدهاند. اين ساختار قادر است كرنش مكانيكي شديد ناشي از انبساط سيليكون را بهطور مؤثري كاهش داده و در نتيجه، پايداري ساختاري آند را در طول چرخههاي شارژ-تخليه حفظ كند. ريزساختار نمونهها با استفاده از ميكروسكوپ الكتروني روبشي گسيل ميداني (FESEM) و ميكروسكوپ الكتروني عبوري (TEM)، مورد بررسي قرار گرفت و نتايج نمايانگر توزيع همگن و محصور شدن نانوذرات سيليكون-مس در ميان صفحات rGO بود. نتايج نقشه برداري عنصري (EDS) نيز توزيع يكنواخت عناصر Si، Cu و C را در اين ساختار تأييد كرد. حضور فازهاي بلوري اين عناصر در نتايج پراش پرتو ايكس (XRD) مشاهده گرديد. در طيفسنجي فوتوالكترون پرتو ايكس (XPS) طيفهاي Si 2p، C 1s و Cu 2p شناسايي شدند. طيفسنجي رامان قلههاي مشخص مربوط به سيليكون و باندهاي D و G را نشان داد كه بيانگر تراكم بالاي نواقص در ساختار كامپوزيت است. آزمون جذب–واجذب نيتروژن ساختاري مزوحفره با سطح ويژهي بالا را نشان داد. ارزيابي الكتروشيميايي نمونهي بهينه (Si@Cu@rGO) نشان داد كه افزودن مس و مواد كربني، منجر به افزايش رسانايي و بهبود پايداري ساختار ميشود و از افت ظرفيت در چرخههاي طولاني به طور قابل توجهي ميكاهد. نتايج طيفسنجي امپدانس الكتروشيميايي (EIS) نشان ميدهد كه اين ساختار بهطور قابلتوجهي رسانايي الكتريكي آند را بهبود بخشيده و مقاومت انتقال بار را از 69٫32 اهم پيش از چرخهزني به 6٫07 اهم پس از اولين چرخه كاهش داده است. آند Si@Cu@rGO ظرفيت برگشتپذير بالايي معادل mAh g-1960 را در چگالي جريان A g-11 پس از 200 چرخه ارائه ميدهد. افزون بر اين، اين الكترود بازده كولمبيك اوليه بالايي معادل 80٫35٪ و همچنين قابليت نرخپذيري بسيار مطلوبي از خود نشان ميدهد، بهطوريكه ظرفيتهاي ويژه تخليه mAh g-1 3919٫73 و mAh g-1 1963٫06 را بهترتيب در چگاليهاي جريان A g-1 0٫05 و A g-1 1 (بر اساس جرم كل الكترود) به دست ميآورد.
واژههاي كليدي: باتري ليتيوم يون – آند – كامپوزيت بر پايهي سيليكون – افرودنيهاي رسانا - موادكربني
تاريخ ورود اطلاعات
1404/12/05
عنوان به انگليسي
Investigating the structure, microstructure, and electrochemical performance of silicon-carbon composites as lithium-ion battery anodes
تاريخ بهره برداري
3/21/2026 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
هليا مهدوي عادلي
چكيده به لاتين
Silicon-based anodes are considered among the most promising anode materials for lithium-ion batteries due to their high theoretical capacity (approximately 4200 mAh g⁻¹). However, severe challenges such as large volume expansion (about 400%), poor electrical conductivity, and unstable solid–electrolyte interphase (SEI) significantly hinder their practical application. The aim of this study is to investigate the synergistic effect of conductive copper additives and carbon-based materials, including graphene oxide and carbon nanowebs, on the electrochemical performance and structural stability of silicon anodes. Silicon–copper composites were synthesized via an electroless deposition and chemical reduction method in a wet environment, while ternary silicon–copper–carbon composites were prepared using a simple mechanical ball-milling process. Among the prepared samples, the ternary silicon–copper–reduced graphene oxide composite (Si@Cu@rGO) exhibited the best electrochemical performance. In this structure, silicon nanoparticles are encapsulated within a conductive copper shell and anchored onto a reduced graphene oxide (rGO) framework. This architecture effectively mitigates the severe mechanical strain induced by silicon volume expansion, thereby maintaining the structural stability of the anode during repeated charge–discharge cycles. The microstructure of the samples was characterized using field-emission scanning electron microscopy (FESEM) and transmission electron microscopy (TEM), revealing a homogeneous distribution and effective confinement of Si@Cu nanoparticles within the rGO sheets. Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) elemental mapping further confirmed the uniform distribution of Si, Cu, and C elements throughout the composite. The presence of crystalline phases corresponding to these elements was identified by X-ray diffraction (XRD). X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis detected the characteristic Si 2p, C 1s, and Cu 2p spectra. Raman spectroscopy revealed distinct silicon peaks along with the D and G bands, indicating a high density of defects within the composite structure. Nitrogen adsorption–desorption analysis demonstrated a mesoporous structure with a high specific surface area.
Electrochemical evaluation of the optimized Si@Cu@rGO anode indicated that the incorporation of copper and carbon materials significantly enhances electrical conductivity and structural stability, effectively suppressing capacity fading during long-term cycling. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) results showed a substantial improvement in electrical conductivity, with the charge-transfer resistance decreasing from 69.32 Ω before cycling to 6.07 Ω after the first cycle. The Si@Cu@rGO anode delivered a high reversible capacity of 960 mAh g⁻¹ at a current density of 1 A g⁻¹ after 200 cycles. Moreover, the electrode exhibited a high initial coulombic efficiency of 80.35% and excellent rate capability, delivering specific discharge capacities of 3919.73 mAh g⁻¹ and 1963.06 mAh g⁻¹ at current densities of 0.05 A g⁻¹ and 1 A g⁻¹, respectively (based on the total mass of the electrode).
كليدواژه هاي فارسي
باتري ليتيوم-يون - آند - كامپوزيتهاي سيليكون - افزودني رسانا - مواد كربني
كليدواژه هاي لاتين
Lithium-ion battery; Anode; Silicon-based composite; Conductive additives; Carbon materials
Author
Helia Mahdavi Adeli
SuperVisor
Dr. Masood Hasheminiasari - Dr. Somaye Alamolhoda