КЕУЕКТІ КӨМІРТЕКТІ МАТЕРИАЛДАРДЫ АЛУ ҮШІН КОФЕ ҚАЛДЫҚТАРЫН МИКРОТОЛҚЫНДЫ ӨҢДЕУ ЖӘНЕ ОЛАРДЫ ЛИТИЙ-ИОНДЫ АККУМУЛЯТОРЛАРДЫҢ КРЕМНИЙ-КӨМІРТЕКТІ АНОДТАРЫНДА ҚОЛДАНУ

Бұл жұмыс кофе қалдықтарынан алынған графен тәрізді көміртектен және кремнийден тұратын литий-ионды аккумуляторларға арналған композиттік анодты материалдың синтезін ұсынады. Көміртекті материал микротолқынды карбонизация және CO₂ көмегімен физикалық белсендіру арқылы синтезделді. Бұл әдіс физикалық белсендіруден кейін ерекше беткі ауданы 1300 м2/г болатын кеуекті құрылымды береді. мұндай кеуекті құрылым литий-иондарды тиімді адсорбциялау, жоғары зарядты беру және батареяның жалпы өнімділігін жақсарту үшін өте маңызды. Материалдың морфологиясы мен құрылымы Сэм және Раман спектроскопиясы арқылы талданды, бұл жоғары кеуекті графен тәрізді көміртектің түзілуін растады. Электрохимиялық сипаттама 160 цикл ішінде 350 мАч/г меншікті сыйымдылығын көрсетті, бұл ұзақ мерзімді тұрақтылықты көрсетеді. Кулондық тиімділік 98–100% деңгейінде қалды, бұл электрохимиялық реакциялардың жоғары қайтымдылығын көрсетті. Электрохимиялық импеданс спектроскопиясы композициялық материал үшін 550 Ом зарядты тасымалдауға орташа қарсылықты анықтады, бұл материал мен электролит арасындағы электрондардың тиімді тасымалдануын көрсетеді. Бұл нәтижелер өнімділігі жоғары, үнемді анодты материалдарды өндіру үшін микротолқынды пештер мен физикалық CO₂ белсендіру арқылы карбонизация әлеуетін көрсетеді, бұл оларды келесі буын литий-ионды аккумуляторларда қолдануға жол ашады.

1. Armand M., Axmann P., Bresser D., Copley M., Edström K., Ekberg C., Guyomard D., Lestriez B., Novák P., Petranikova M., Porcher W., Trabesinger S., Wohlfahrt-Mehrens M., Zhang H. Lithium-ion batteries – Current state of the art and anticipated developments, J. Power Sources, 2020, vol. 479, p. 228708. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2020.228708.

2. Khan M., Yan S., Ali M., Mahmood F., Zheng Y., Li G., Liu J., Song X., Wang Y. Innovative Solutions for High-Performance Silicon Anodes in Lithium-Ion Batteries: Overcoming Challenges and Real-World Applications, Nano-Micro Lett., 2024, vol. 16, no. 179. https://doi.org/10.1007/s40820-024-01388-3.

3. Grey C.P., Hall D.S. Prospects for lithium-ion batteries and beyond–a 2030 vision, Nat. Commun., 2020, vol. 11, p. 6279. https://doi.org/10.1038/s41467-020-19991-4.

4. Deng D. Li-ion batteries: basics, progress, and challenges, Energy Sci. Eng., 2015, vol. 3, pp. 385–418. https://doi.org/10.1002/ese3.95.

5. Vernardou, Psaltakis G., Tsubota T., Katsarakis N., Kalderis D. Challenges and perspectives of biochar anodes for lithium-ion batteries, Future Batter., 2024, vol. 4, p. 100011. https://doi.org/10.1016/j.fub.2024.100011.

6. Feyzi E., A.K. M R, X. Li, Deng S., Nanda J., Zaghib K. A comprehensive review of silicon anodes for high-energy lithium-ion batteries: Challenges, latest developments, and perspectives, Energy, 2024, vol. 5, p. 100176. https://doi.org/10.1016/j.nxener.2024.100176.

7. Zhang C. Review-Recent development on silicon-based anodes for high-performance Lithium-Ion Batteries, E3S Web Conf., 2021, vol. 252, p. 03004. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202125203004.

8. Sedláčková E., Klusoňová N., Bursa R., Procházka V., Dvořáková P., Jílková K., Jankovský O., Macháček J., Havlík Míka M. Characterization of Silicon-based fibers prepared by electrospinning for potential Li-ion battery anodes, Mater. Lett., 2024, vol. 377, p. 137352. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2024.137352.

9. Toki G.F.I., Hossain M.K., Rehman W.U., Manj R.Z.A., Wang L., Yang J. Recent progress and challenges in silicon-based anode materials for lithium-ion batteries, Ind. Chem. Mater., 2024, vol. 2, pp. 226–269. https://doi.org/10.1039/D3IM00115F.

10. Li P., Zhao G., Zheng X., Xu X., Yao C., Sun W., Dou S.X. Recent progress on silicon-based anode materials for practical lithium-ion battery applications, Energy Storage Mater., 2018, vol. 15, pp. 422–446. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2018.07.014.

11. Franco Gonzalez A., Yang N.-H., Liu R.-S. Silicon Anode Design for Lithium-Ion Batteries: Progress and Perspectives, J. Phys. Chem. C, 2017, vol. 121, pp. 27775–27787. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.7b07793.

12. Andersen H.F., Foss C.E.L., Voje J., Tronstad R., Mokkelbost T., Vullum P.E., Ulvestad A., Kirkengen M., Mæhlen J.P. Silicon-Carbon composite anodes from industrial battery grade silicon, Sci. Rep., 2019, vol. 9, p. 14814. https://doi.org/10.1038/s41598-019-51324-4.

13. Mei Y., He Y., Zhu H., Ma Z., Pu Y., Chen Z., Li P., He L., Wang W., Tang H. Recent Advances in the Structural Design of Silicon/Carbon Anodes for Lithium Ion Batteries: A Review, Coatings, 2023, vol. 13, no. 436. https://doi.org/10.3390/coatings13020436.

14. Lv X., Wei W., Huang B., Dai Y. Achieving high energy density for lithium-ion battery anodes by Si/C nanostructure design, J. Mater. Chem. A, 2019, vol. 7, pp. 2165–2171. https://doi.org/10.1039/C8TA10936B.

15. Liu Y., Wen Z.Y., Wang X.Y., Hirano A., Imanishi N., Takeda Y. Electrochemical behaviors of Si/C composite synthesized from F-containing precursors, J. Power Sources, 2009, vol. 189, pp. 733–737. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2008.08.016.

16. Askaruly K., Korobeinyk A.V., Azat S., Yeleuov M., Taurbekov A., Toshtay K., Tauanov Z., Su X. The electrochemical behavior of silica and activated carbon materials derived from the rice husk waste for liion cells, Diam. Relat. Mater., 2023, vol. 133, p. 109759. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2023.109759.

17. Askaruly K., Idrissov N., Abdisattar A., Azat S., Kuli Z., Yeleuov M., Malchik F., Daulbayev C., Yszhan Y., Sarsembayeva B., Nysanbayeva S. Utilizing rice husk-derived Si/C composites to enhance energy capacity and cycle sustainability of lithium-ion batteries, Diam. Relat. Mater., 2024, vol. 149, p. 111631. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2024.111631.

18. Askaruly K., Yeleuov M., Taurbekov A., Sarsembayeva B., Tolynbekov A., Zhylybayeva N., Azat S., Abdisattar A., Daulbayev C. A facile synthesis of graphite-coated amorphous SiO2 from biosources

19. as anode material for libs, Mater. Today Commun., 2023, vol. 34, p. 105136. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2022.105136.

20. Sehrawat P., Shabir A., Abid, Julien C.M., Islam S.S. Recent trends in silicon/graphene nanocomposite anodes for lithium-ion batteries, J. Power Sources, 2021, vol. 501, p. 229709. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2021.229709.

21. Patel S.H. Numerical modeling of the failure mechanisms in Si thin film anode for Li-ion batteries, Master of Science in Mechanical Engineering, Michigan Technological University, 2011. https://doi.org/10.37099/mtu.dc.etds/396.

22. Lee J.K., Smith K.B., Hayner C.M., Kung H.H. Silicon nanoparticles–graphene paper composites for Li ion battery anodes, Chem. Commun., 2010, vol. 46, p. 2025. https://doi.org/10.1039/b919738a.

23. Kim S.K., Kim C., Chang H., Jang H.D. Preparation of Silicon-Carbon-Graphene Composites and their Application to Lithium Ion Secondary Battery, Aerosol Air Qual. Res., 2022, vol. 22, p. 220009. https://doi.org/10.4209/aaqr.220009.

24. Dou F., Shi L., Chen G., Zhang D. Silicon/Carbon Composite Anode Materials for Lithium-Ion Batteries, Electrochem. Energy Rev., 2019, vol. 2, pp. 149–198. https://doi.org/10.1007/s41918-018-00028-w.

25. Datta M.K., Kumta P.N. Silicon and carbon based composite anodes for lithium ion batteries, J. Power Sources, 2006, vol. 158, pp. 557–563. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2005.09.016.

26. Beissenov R., Duisenbek A., Beisenova Y., Askaruly K., Yeleuov M., Abdisattar A. Activated biomassderived 3-dimensional porous graphene-like carbon for high-performance energy storage electrode materials, Diam. Relat. Mater., 2024, vol. 149, p. 111588. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2024.111588.

27. Duisenbek A., Beisenova Y., Beissenov R., Askaruly K., Yeleuov M., Abdisattar A. Onion huskderived high surface area graphene-like carbon for supercapacitor electrode material application, Heliyon, 2024, vol. 10. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e32915.

28. Liew R.K., Azwar E., Yek P.N.Y., Lim X.Y., Cheng C.K., Ng J.-H., Jusoh A., Lam W.H., Ibrahim M.D., Ma N.L., Lam S.S. Microwave pyrolysis with KOH/NaOH mixture activation: A new approach to produce micro-mesoporous activated carbon for textile dye adsorption, Bioresour. Technol., 2018, vol. 266, pp. 1–10. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2018.06.051.

29. Van Thuan Le, Nguyen Khoa Dang, My Loan Phung Le, Van Hoang Nguyen, Van Man Tran, Minh Thu Nguyen, Nhu Hoa Thi Tran, Tuan Loi Nguyen, Il Tae Kim, ZnCl2-based activation for converting spent coffee grounds into a robust anode for Li-ion batteries, Biomass and Bioenergy, 2024, vol. 181, p. 107058, https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2024.107058

30. Tsai S.-Y., Muruganantham R., Tai S.-H., Chang B.K., Wu S.-C., Chueh Y.-L., Liu W.-R. Coffee grounds-derived carbon as high performance anode materials for energy storage applications, J. Taiwan Inst. Chem. Eng., 2019, vol. 97, pp. 178–188. https://doi.org/10.1016/j.jtice.2019.01.020.

31. Yanbing Cheng, Xiping Zhang, Shaojie Qin, Jun Li, Lijun Zhang, Yiyong Zhang, Ning Du, Ziyi Zhu, Xue Li, Yingjie Zhang, Renewable resources from nature: biomass-derived carbon for composite materials in electrochemical energy storage devices, Journal of Energy Storage, 15 January 2025, vol. 106, p. 114692, https://doi.org/10.1016/j.est.2024.114692.

32. Ao W., Fu J., Mao X., Wahab N., Ran C., Kang Q., Liu Y., Jiang Z., Dai J., Bi X. Characterization and analysis of activated carbons prepared from furfural residues by microwave-assisted pyrolysis and activation, Fuel Process. Technol., 2021, vol. 213, p. 106640. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2020.106640.

33. Foo K.Y., Hameed B.H. Preparation of activated carbon by microwave heating of langsat (Lansium domesticum) empty fruit bunch waste, Bioresour. Technol., 2012, vol. 116, pp. 522–525. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2012.03.123.

34. Grycova B., Pryszcz A., Lestinsky P., Chamradova K. Influence of potassium hydroxide and method of carbonization treatment in garden and corn waste microwave pyrolysis, Biomass Bioenergy, 2018, vol. 118, pp. 40–45. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2018.07.022.

35. Hessien M. Microwave-Assisted Hydrothermal Carbonization of Pomegranate Peels into Hydrochar for Environmental Applications, Energies, 2022, vol. 15, p. 3629. https://doi.org/10.3390/en15103629.

36. Lam S.S., Liew R.K., Wong Y.M., Azwar E., Jusoh A., Wahi R. Activated Carbon for Catalyst Support from Microwave Pyrolysis of Orange Peel, Waste Biomass Valorization, 2017, vol. 8, pp. 2109–2119. https://doi.org/10.1007/s12649-016-9804-x.

37. Yang T., Lua A.C. Characteristics of activated carbons prepared from pistachio-nut shells by physical activation, J. Colloid Interface Sci., 2023, vol. 267, pp. 408–417. https://doi.org/10.1016/S0021-9797(03)00689-1.

38. Chung D.Y., Son Y.J., Yoo J.M., Kang J.S., Ahn C.-Y., Park S., Sung Y.-E. Coffee Waste-Derived Hierarchical Porous Carbon as a Highly Active and Durable Electrocatalyst for Electrochemical Energy Applications, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, vol. 9, pp. 41303–41313. https://doi.org/10.1021/acsami.7b13799.

39. Peng Z., Guo Z., Chu W., Wei M. Facile synthesis of high-surface-area activated carbon from coal for supercapacitors and high CO 2 sorption, RSC Adv., 2016, vol. 6, pp. 42019–42028. https://doi.org/10.1039/C5RA26044B.

40. Memon N.K., Tse S.D., Al-Sharab J.F., Yamaguchi H., Goncalves A.-M.B., Kear B.H., Jaluria Y., Andrei E.Y., Chhowalla M. Flame synthesis of graphene films in open environments, Carbon, 2011, vol. 49, pp. 5064–5070. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2011.07.024.

41. Pujol D., Liu C., Gominho J., Olivella M.À., Fiol N., Villaescusa I., Pereira H. The chemical composition of exhausted coffee waste, Ind. Crops Prod., 2013, vol. 50, pp. 423–429. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2013.07.056.