ПОСЛОЙНОЕ ГАЗОФАЗНОЕ ПИРОЛИТИЧЕСКОЕ ОСАЖДЕНИЕ КРЕМНИЯ И УГЛЕРОДА НА СФЕРОЛИЗОВАННЫЙ ГРАФИТ
Аннотация
Бурное развитие портативной электроники и электротранспорта стимулирует исследователей к разработке аккумуляторов со все более высокими удельными емкостями и плотностями тока, в качестве которых могут выступать литий-ионные аккумуляторы с композиционными активными материалами отрицательного электрода (анода) на основе графита, кремния и пиролитического углерода. В работе рассмотрены нюансы газофазного пиролитического осаждения кремния и углерода на сферолизованный графит. Показано, что неароматические углеводороды, такие как метан, пропан и этилен, приводят к частично гомофазному пиролитическому разложению, что сопровождается образованием нежелательных обособленных углеродных структур, которые могут понижать электрохимические характеристики анодов. Показано, что использование для пиролитического разложения этанола сопровождается газификацией углеродной матрицы и низкими выходами пироосаждения. Наилучшие результаты дает пиролитическое разложение толуола при 900 °С, протекающее преимущественно по гетерофазному механизму, что позволяет получать равномерные пленки пиролитического углерода на сферолизованном графите. Показано, что пироосаждение как углерода, так и кремния происходит изначально на дефектах сферолизованного графита, поэтому для получения на нем равномерного слоя кремния дефекты должны быть насыщены, например, предварительным осаждением пиролитического углерода. Установлено, что пироосаждение кремния в диапазоне концентраций от 5 до 15 мас.% посредством пиролитического разложения моносилана приводит к повышению термоокислительной устойчивости сферолизованного графита и позволяет получать равномерную пленку кремния на модифицированном сферолизованном графите. Осаждение более 30 мас.% кремния приводит к образованию структурно неравномерных «ежеподобных» структур. Дополнительное пироосаждение углерода на слой пиролитического кремния позволят существенно уменьшить его деградацию при длительном (80 циклов) циклировании на высоких (250 мА/г) плотностях тока.
Для цитирования:
Хасков М.А., Наумова В.А., Максимкин А.А., Кулова Т.Л., Караева А.Р., Мордкович В.З. Послойное газофазное пиролитическое осаждение кремния и углерода на сферолизованный графит. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2025. Т. 68. Вып. 10. С. 71-80. DOI: 10.6060/ivkkt.20256810.20y.
Литература
Kim T., Song W., Son D.-Y., Ono L. K., Qi Y. // J. Mater. Chem. A. 2019. V. 7. P. 2942-2964. DOI: 10.1039/C8TA10513H.
Zhang H., Yang Y., Ren D., Wang L., He X. // Energy Stor. Mater. 2021. V. 36. P. 147-170. DOI: 10.1016/j.ensm. 2020.12.027.
Khaskov M.A., Maklakov S.S., Filenko D.G., Stupnikova T.V., Avdeev V.V. // Vest. MGU. Ser. 2: Khimiya. 2006. V. 47. N 5. P. 323-326 (in Russian).
Yao F., Güneş F., Ta H.Q., Lee S.M., Chae S.J., Sheem K.Y., Lee Y.H. // JACS. 2012. V. 134. N 20. P. 8646–8654. DOI: 10.1021/ja301586m.
Fischer S., Doose S., Mueller J., Höfels C., Kwade A. // Batteries. 2023. V. 9. N 305. P. 1-19. DOI: 10.3390/batteries9060305.
Bratkov I.V., Ivanov A.D., Kolchin A.D., Savitsky I.A., Smirnov N.N. // ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2023. V. 66. N 4. P. 68-74 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20236604.6795.
Abdollahifar M., Molaiyan P., Perovic M., Kwade A. // Energies. 2022. V. 15. N 23. P. 8791. DOI: 10.3390/en15238791.
Nobili F., Mancini M., Stallworth P.E., Croce F., Greenbaum S.G., Marassi R. // J. Power Sources. 2012. V. 198. P. 243-250. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2011.09.075.
Yaroslavtsev A.B., Stenina I.A. // Surf. Innov. 2020. V. 9. N 2-3. P. 92-110. DOI: 10.1680/jsuin.20.00044.
He J., Wei Y., Zhai T., Li H. // Mater. Chem. Front. 2018. V. 2. N 3. P. 437–455. DOI: 10.1039/C7QM00480J.
Bratkov I.V., Ivanov A.D., Kolchin A.D., Savitsky I.A. // ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2024. V. 67. N 3. P. 127-134 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20246703.7041.
Nzereogu P.U., Omah A.D., Ezema F.I., Iwuoha E.I., Nwanya A.C. // App. Surf. Sci. Adv. 2022. V. 9. P. 100233. DOI: 10.1016/j.apsadv.2022.100233.
Lee C.-Y., Yeh F.-H., Yu I.-S. // J. Compos. Sci. 2020. V. 4. N 72. DOI: 10.3390/jcs4020072.
Astrova E.V., Voronkov V.B., Rumyantsev A.M., Nashchekin A.V., Parfen'eva A.V., Lozhkina D.A. // Elektrokhimiya. 2019. V. 55. N 3. P. 184-193 (in Russian). DOI: 10.1134/S0424857019020026.
Mei Y., He Y., Zhu H., Ma Z., Pu Y., Chen Z., Li P., He L., Wang W., Tang H. // Coatings. 2023. V. 13. N 2. P. 436. DOI: 10.3390/coatings13020436.
Wang J., Li S., Zhao Y., Shi J., Lv L., Wang H., Zhang Z., Feng W. // RSC Adv. 2018. V. 8. N 12. P. 6660-6666. DOI: 10.1039/C7RA12027C.
Dimov N., Kugino S., Yoshio M. // J. Power Sources. 2004. V. 136. N 1. P. 108-114. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2004.05.012.
Xu Q., Li J.-Y., Sun J.-K., Yin Y.-X., Wan L.-J., Guo Y.-G. // Adv. Energy Mater. 2017. V. 7. N 3. P. 1601481. DOI: 10.1002/aenm.201601481.
Son Y., Lee T., Wen B., Ma J., Jo C., Cho Y.-G., Boies A., Cho J., Volder M. // Energy Environ. Sci. 2020. V. 13. N 10. P. 3723–3731. DOI: 10.1039/D0EE02230F.
Karaeva A.R., Khaskov M.A., Mitberg E.B., Kulnitskiy B.A., Perezhogin I.A., Ivanov L.A., Denisov V.N., Ki-richenko A.N. Mordkovich V.Z. // Fuller. Nanotub. Car-bon Nanostructures. 2012. V. 20. N 4-7. P. 411–418. DOI: 10.1080/1536383X.2012.655229.
Khaskov M.A., Naumova V.A., Karaeva A.R., Mordkovich V.Z. // ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2024. V. 67. N 10. P. 65-72 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20246710.13y.
Tang Z., Zhou S., Huang Y., Wang H., Zhang R., Wang Q., Sun D., Tang Y., Wang H. // Electrochem. Energy Rev. 2023. V. 6. N 8. DOI: 10.1007/s41918-022-00178-y.
Hoshi K., Ohta N., Nagaoka K., Bitoh S., Yamanaka A., Nozaki H., Inagaki M. // Carbon. 2010. V. 48. P. 1322. DOI: 10.1016/j.carbon.2009.11.003.
Wu Y.-S., Wang Y.-H., Lee Y.-H. // J. Alloys Compd. 2006. V. 426. P. 218–222. DOI: 10.1016/j.jallcom.2005.11.093.
Hong W.-E., Ro J.-S. Kinetics of solid phase crystallization of amorphous silicon analyzed by Raman spectroscopy. J. Appl. Phys. 2013. V. 114. P. 073511. DOI: 10.1063/1.4818949.
Kidalov V.V., Kukushkin S.A., Osipov A.V., Redkov A.V., Grashchenko A.S., Soshnikov I.P., Boiko M.E., Sharkov M.D., Dyadenchuk A.F. // Mater. Phys. Mech. 2018. V. 36. N 1. P. 39-52. DOI: 10.18720/MPM.3612018_4.
Kukushkin S.A., Osipov A.V. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2014. V. 47. P. 313001. DOI: 10.1088/0022-3727/47/31/313001.
Khaskov M.A. // ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2023. V. 66. N 10. P. 24-31 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20236610.1y.
Khaskov M.A., Naumova V.A., Karaeva A.R., Mordkovich V.Z. // ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2024. V. 67. N 10. P. 6-15 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20246710.14y.
Khaskov M.A., Shestakov A.M., Sorokin O.Y., Gulyaev A.I., Davydova E.A., Sulyanova E.A., Sinyakov S.D., Valueva M.I., Zelenina I.V. // Mater. Today: Proc. 2018. V. 5. N 12. P. 26046-26051. DOI: 10.1016/j.matpr.2018.08.027.
Jo Y.N., Kim Y., Kim J.S., Song J.H., Kim K.J., Kwag C.Y., Kim Y.J. // J. Power Sources. 2010. V. 195. N 18. P. 6031–6036. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2010.03.008.
Li H., Zhou H. // Chem. Comm. 2012. V. 48. N 9. P. 1201–1217. DOI: 10.1039/C1CC14764A.
He Y., Jiang L., Chen T., Xu Y., Jia H., Yi R., Xue D., Song M., Genc A., Bouchet-Marquis C., Pullan L., Tessner T., Yoo J., Li X., Zhang J.-G., Zhang S., Wang C. // Nat. Nanotechnol. 2021. V. 16. P. 1113–1120. DOI: 10.1038/s41565-021-00947-8.
