ছিদ্রযুক্ত সিলিকন কার্বন যৌগিক পদার্থের প্রস্তুতি এবং কর্মক্ষমতা উন্নয়ন

লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারি প্রধানত উচ্চ শক্তি ঘনত্বের দিকে বিকশিত হচ্ছে। সাধারণ তাপমাত্রায়, সিলিকন-ভিত্তিক নেগেটিভ ইলেকট্রোড উপাদান লিথিয়ামের সাথে সংকরিত হয়ে লিথিয়াম-সমৃদ্ধ Li3.75Si ফেজ তৈরি করে, যার নির্দিষ্ট ধারণক্ষমতা ৩৫৭২ mAh/g পর্যন্ত হয়, যা গ্রাফাইট নেগেটিভ ইলেকট্রোডের তাত্ত্বিক নির্দিষ্ট ধারণক্ষমতা ৩৭২ mAh/g-এর চেয়ে অনেক বেশি। তবে, সিলিকন-ভিত্তিক নেগেটিভ ইলেকট্রোড উপাদানের বারবার চার্জিং এবং ডিসচার্জিং প্রক্রিয়ার সময়, Si এবং Li3.75Si-এর ফেজ রূপান্তর ব্যাপক আয়তন প্রসারণ (প্রায় ৩০০%) ঘটাতে পারে, যা ইলেকট্রোড উপাদানের কাঠামোগত গুঁড়ো হয়ে যাওয়া এবং ক্রমাগত SEI ফিল্ম তৈরি হওয়ার কারণ হয় এবং অবশেষে ধারণক্ষমতা দ্রুত হ্রাস পায়। শিল্পক্ষেত্রে প্রধানত ন্যানো-সাইজিং, কার্বন কোটিং, ছিদ্র গঠন এবং অন্যান্য প্রযুক্তির মাধ্যমে সিলিকন-ভিত্তিক নেগেটিভ ইলেকট্রোড উপাদানের কর্মক্ষমতা এবং সিলিকন-ভিত্তিক ব্যাটারির স্থিতিশীলতা উন্নত করা হয়।

কার্বন উপাদানের ভালো পরিবাহিতা, কম খরচ এবং ব্যাপক উৎস রয়েছে। এগুলো সিলিকন-ভিত্তিক উপাদানের পরিবাহিতা এবং পৃষ্ঠের স্থিতিশীলতা উন্নত করতে পারে। সিলিকন-ভিত্তিক নেগেটিভ ইলেকট্রোডের কর্মক্ষমতা বৃদ্ধিকারী সংযোজনী হিসেবে এগুলো অগ্রাধিকারের সাথে ব্যবহৃত হয়। সিলিকন-কার্বন উপাদান হলো সিলিকন-ভিত্তিক নেগেটিভ ইলেকট্রোডের উন্নয়নের প্রধান দিক। কার্বন কোটিং সিলিকন-ভিত্তিক উপাদানের পৃষ্ঠের স্থিতিশীলতা উন্নত করতে পারে, কিন্তু সিলিকনের আয়তন প্রসারণ রোধ করার ক্ষমতা সাধারণ এবং এটি সিলিকনের আয়তন প্রসারণের সমস্যা সমাধান করতে পারে না। তাই, সিলিকন-ভিত্তিক উপাদানের স্থিতিশীলতা উন্নত করার জন্য ছিদ্রযুক্ত কাঠামো তৈরি করা প্রয়োজন। বল মিলিং হলো ন্যানোউপাদান তৈরির একটি শিল্পায়িত পদ্ধতি। যৌগিক উপাদানের নকশার প্রয়োজনীয়তা অনুসারে বল মিলিং দ্বারা প্রাপ্ত স্লারিতে বিভিন্ন সংযোজনী বা উপাদানের অংশ যোগ করা যেতে পারে। স্লারিটি বিভিন্ন স্লারির মাধ্যমে সমানভাবে ছড়িয়ে দেওয়া হয় এবং স্প্রে-ড্রাই করা হয়। তাৎক্ষণিক শুকানোর প্রক্রিয়ার সময়, স্লারিতে থাকা ন্যানো পার্টিকেল এবং অন্যান্য উপাদান স্বতঃস্ফূর্তভাবে ছিদ্রযুক্ত কাঠামোগত বৈশিষ্ট্য তৈরি করে। এই গবেষণাপত্রে ছিদ্রযুক্ত সিলিকন-ভিত্তিক উপাদান প্রস্তুত করার জন্য শিল্পায়িত এবং পরিবেশবান্ধব বল মিলিং এবং স্প্রে ড্রাইং প্রযুক্তি ব্যবহার করা হয়েছে।

সিলিকন ন্যানোম্যাটেরিয়ালের আকার ও বিন্যাস বৈশিষ্ট্য নিয়ন্ত্রণের মাধ্যমে সিলিকন-ভিত্তিক পদার্থের কর্মক্ষমতাও উন্নত করা যায়। বর্তমানে, বিভিন্ন আকার ও বিন্যাস বৈশিষ্ট্যযুক্ত সিলিকন-ভিত্তিক পদার্থ প্রস্তুত করা হয়েছে, যেমন সিলিকন ন্যানোরড, ছিদ্রযুক্ত গ্রাফাইট-এম্বেডেড ন্যানোসিলিকন, কার্বন স্ফিয়ারে বণ্টিত ন্যানোসিলিকন, সিলিকন/গ্রাফিন অ্যারে ছিদ্রযুক্ত কাঠামো ইত্যাদি। একই স্কেলে, ন্যানোপার্টিকেলের তুলনায় ন্যানোশিটগুলো আয়তন প্রসারণের কারণে সৃষ্ট পিষ্ট হওয়ার সমস্যাকে আরও ভালোভাবে দমন করতে পারে এবং পদার্থটির সংকোচন ঘনত্ব বেশি থাকে। ন্যানোশিটের বিশৃঙ্খল স্তূপীকরণ একটি ছিদ্রযুক্ত কাঠামোও তৈরি করতে পারে। এটি সিলিকন নেগেটিভ ইলেকট্রোড এক্সচেঞ্জ গ্রুপের সাথে যুক্ত হয় এবং সিলিকন পদার্থের আয়তন প্রসারণের জন্য একটি বাফার স্পেস প্রদান করে। কার্বন ন্যানোটিউব (সিএনটি) এর সংযোজন কেবল পদার্থের পরিবাহিতা উন্নত করে না, বরং এর একমাত্রিক আকারগত বৈশিষ্ট্যের কারণে পদার্থের ছিদ্রযুক্ত কাঠামো গঠনেও সহায়তা করে। সিলিকন ন্যানোশিট এবং সিএনটি দ্বারা নির্মিত ছিদ্রযুক্ত কাঠামোর উপর কোনো প্রতিবেদন নেই। এই গবেষণাপত্রে শিল্পক্ষেত্রে প্রযোজ্য বল মিলিং, গ্রাইন্ডিং ও ডিসপারশন, স্প্রে ড্রাইং, কার্বন প্রি-কোটিং এবং ক্যালসিনেশন পদ্ধতিসমূহ অবলম্বন করা হয়েছে এবং প্রস্তুতি প্রক্রিয়ায় পোরোসিটি প্রোমোটার ব্যবহার করে সিলিকন ন্যানোশিট ও সিএনটি-র স্ব-সমাবেশের মাধ্যমে গঠিত ছিদ্রযুক্ত সিলিকন-ভিত্তিক নেগেটিভ ইলেকট্রোড উপাদান প্রস্তুত করা হয়েছে। প্রস্তুতি প্রক্রিয়াটি সহজ, পরিবেশবান্ধব এবং এতে কোনো বর্জ্য তরল বা বর্জ্য অবশেষ উৎপন্ন হয় না। সিলিকন-ভিত্তিক উপাদানের কার্বন কোটিং নিয়ে অনেক গবেষণাপত্র থাকলেও, কোটিং-এর প্রভাব নিয়ে গভীর আলোচনা খুব কমই রয়েছে। এই গবেষণাপত্রে কার্বন উৎস হিসেবে অ্যাসফল্ট ব্যবহার করে দুটি কার্বন কোটিং পদ্ধতি—তরল ফেজ কোটিং এবং কঠিন ফেজ কোটিং—এর প্রভাব সিলিকন-ভিত্তিক নেগেটিভ ইলেকট্রোড উপাদানের উপর কোটিং-এর কার্যকারিতা ও কর্মক্ষমতার উপর অনুসন্ধান করা হয়েছে।

১ পরীক্ষা

১.১ উপকরণ প্রস্তুতি

ছিদ্রযুক্ত সিলিকন-কার্বন যৌগিক পদার্থ তৈরির প্রস্তুতিতে প্রধানত পাঁচটি ধাপ রয়েছে: বল মিলিং, পেষণ ও বিচ্ছুরণ, স্প্রে ড্রাইং, কার্বন প্রাক-আবরণ এবং কার্বনাইজেশন। প্রথমে, ৫০০ গ্রাম প্রাথমিক সিলিকন পাউডার (দেশীয়, ৯৯.৯৯% বিশুদ্ধতা) ওজন করে, এর সাথে ২০০০ গ্রাম আইসোপ্রোপানল যোগ করা হয় এবং ন্যানো-স্কেল সিলিকন স্লারি পাওয়ার জন্য ২৪ ঘণ্টা ধরে ২০০০ আর/মিনিট বল মিলিং গতিতে ওয়েট বল মিলিং করা হয়। প্রাপ্ত সিলিকন স্লারি একটি বিচ্ছুরণ স্থানান্তর ট্যাঙ্কে স্থানান্তর করা হয় এবং সিলিকন: গ্রাফাইট (সাংহাইতে উৎপাদিত, ব্যাটারি গ্রেড): কার্বন ন্যানোটিউব (তিয়ানজিনে উৎপাদিত, ব্যাটারি গ্রেড): পলিভিনাইল পাইরোলিডোন (তিয়ানজিনে উৎপাদিত, অ্যানালিটিক্যাল গ্রেড) = ৪০:৬০:১.৫:২ ভরের অনুপাতে উপাদানগুলো যোগ করা হয়। কঠিন পদার্থের পরিমাণ সামঞ্জস্য করার জন্য আইসোপ্রোপানল ব্যবহার করা হয় এবং এই পরিমাণ ১৫% নির্ধারণ করা হয়। ৩৫০০ আর/মিনিট গতিতে ৪ ঘণ্টা ধরে পেষণ এবং বিচ্ছুরণ করা হয়। সিএনটি যোগ না করে স্লারির আরেকটি দলের সাথে তুলনা করা হয়, এবং অন্যান্য উপাদানগুলো একই থাকে। প্রাপ্ত বিচ্ছুরিত স্লারিকে এরপর একটি স্প্রে ড্রাইং ফিডিং ট্যাঙ্কে স্থানান্তর করা হয় এবং নাইট্রোজেন-সুরক্ষিত পরিবেশে স্প্রে ড্রাইং করা হয়, যেখানে প্রবেশ ও নির্গমন তাপমাত্রা যথাক্রমে ১৮০ এবং ৯০ °C থাকে। তারপর দুই ধরনের কার্বন কোটিং, যথা—সলিড ফেজ কোটিং এবং লিকুইড ফেজ কোটিং-এর তুলনা করা হয়। সলিড ফেজ কোটিং পদ্ধতিটি হলো: স্প্রে-ড্রাই করা পাউডারকে ২০% অ্যাসফল্ট পাউডারের (কোরিয়ায় তৈরি, D50 ৫ μm) সাথে মেশানো হয়, একটি মেকানিক্যাল মিক্সারে ১০ মিনিট ধরে মেশানো হয় এবং মিশ্রণের গতি থাকে ২০০০ আর/মিনিট, যার ফলে প্রি-কোটেড পাউডার পাওয়া যায়। তরল পর্যায়ের আবরণ পদ্ধতিটি হলো: স্প্রে-ড্রাই করা পাউডারকে একটি জাইলিন দ্রবণে (তিয়ানজিনে তৈরি, অ্যানালিটিক্যাল গ্রেড) যোগ করা হয়, যেখানে পাউডারে দ্রবীভূত ২০% অ্যাসফল্ট থাকে এবং কঠিন পদার্থের পরিমাণ ৫৫% হয়, এবং ভ্যাকুয়ামে ভালোভাবে নাড়ানো হয়। এরপর এটিকে একটি ভ্যাকুয়াম ওভেনে ৮৫℃ তাপমাত্রায় ৪ ঘণ্টা বেক করা হয়, তারপর মেশানোর জন্য একটি মেকানিক্যাল মিক্সারে রাখা হয়, যেখানে মেশানোর গতি থাকে ২০০০ আর/মিনিট এবং মেশানোর সময় থাকে ১০ মিনিট, যার ফলে প্রাক-আবৃত পাউডার পাওয়া যায়। অবশেষে, প্রাক-আবৃত পাউডারটিকে একটি রোটারি কিলনে নাইট্রোজেন পরিবেশে ৫°C/মিনিট হারে উত্তপ্ত করে ক্যালসিন করা হয়। এটিকে প্রথমে ৫৫০°C স্থির তাপমাত্রায় ২ ঘণ্টা রাখা হয়, তারপর ৮০০°C পর্যন্ত উত্তপ্ত করে আরও ২ ঘণ্টা স্থির তাপমাত্রায় রাখা হয়, এবং তারপর স্বাভাবিকভাবে ১০০°C-এর নিচে ঠান্ডা করে বের করে একটি সিলিকন-কার্বন যৌগিক উপাদান পাওয়া যায়।

১.২ বৈশিষ্ট্য নির্ধারণ পদ্ধতি

একটি পার্টিকল সাইজ টেস্টার (মাস্টারসাইজার ২০০০ সংস্করণ, যুক্তরাজ্যে তৈরি) ব্যবহার করে উপাদানটির কণার আকার বন্টন বিশ্লেষণ করা হয়েছিল। প্রতিটি ধাপে প্রাপ্ত পাউডারগুলোর গঠন ও আকার পরীক্ষা করার জন্য স্ক্যানিং ইলেকট্রন মাইক্রোস্কোপি (রেগুলাস ৮২২০, জাপানে তৈরি) দ্বারা পরীক্ষা করা হয়েছিল। একটি এক্স-রে পাউডার ডিফ্র্যাকশন অ্যানালাইজার (ডি৮ অ্যাডভান্স, জার্মানিতে তৈরি) ব্যবহার করে উপাদানটির ফেজ কাঠামো বিশ্লেষণ করা হয়েছিল এবং একটি এনার্জি স্পেকট্রাম অ্যানালাইজার ব্যবহার করে উপাদানটির মৌলীয় সংযুক্তি বিশ্লেষণ করা হয়েছিল। প্রাপ্ত সিলিকন-কার্বন যৌগিক উপাদানটি CR2032 মডেলের একটি বাটন হাফ-সেল তৈরি করতে ব্যবহৃত হয়েছিল এবং সিলিকন-কার্বন: এসপি: সিএনটি: সিএমসি: এসবিআর-এর ভরের অনুপাত ছিল ৯২:২:২:১.৫:২.৫। কাউন্টার ইলেকট্রোডটি একটি ধাতব লিথিয়াম শিট, ইলেকট্রোলাইটটি একটি বাণিজ্যিক ইলেকট্রোলাইট (মডেল ১৯০১, কোরিয়ায় তৈরি), সেলগার্ড ২৩২০ ডায়াফ্রাম ব্যবহৃত হয়, চার্জ ও ডিসচার্জ ভোল্টেজের পরিসর ০.০০৫-১.৫ ভোল্ট, চার্জ ও ডিসচার্জ কারেন্ট ০.১ C (১C = ১A), এবং ডিসচার্জ কাট-অফ কারেন্ট ০.০৫ C।

সিলিকন-কার্বন কম্পোজিট উপাদানের কার্যকারিতা আরও তদন্ত করার জন্য, ল্যামিনেটেড ছোট সফট-প্যাক ব্যাটারি ৪০৮৫৯৫ তৈরি করা হয়েছিল। পজিটিভ ইলেকট্রোডে NCM811 (হুনানে তৈরি, ব্যাটারি গ্রেড) ব্যবহার করা হয়েছে, এবং নেগেটিভ ইলেকট্রোড গ্রাফাইটে ৮% সিলিকন-কার্বন উপাদান ডোপিং করা হয়েছে। পজিটিভ ইলেকট্রোড স্লারির ফর্মুলা হলো ৯৬% NCM811, ১.২% পলিভিনাইলিডিন ফ্লোরাইড (PVDF), ২% পরিবাহী এজেন্ট SP, ০.৮% CNT, এবং ডিসপারসেন্ট হিসেবে NMP ব্যবহার করা হয়েছে; নেগেটিভ ইলেকট্রোড স্লারির ফর্মুলা হলো ৯৬% কম্পোজিট নেগেটিভ ইলেকট্রোড উপাদান, ১.৩% CMC, ১.৫% SBR, ১.২% CNT, এবং ডিসপারসেন্ট হিসেবে পানি ব্যবহার করা হয়েছে। নাড়ানো, কোটিং, রোলিং, কাটিং, ল্যামিনেশন, ট্যাব ওয়েল্ডিং, প্যাকেজিং, বেকিং, লিকুইড ইনজেকশন, গঠন এবং ক্যাপাসিটি বিভাজনের পর, ৩ Ah রেটেড ক্যাপাসিটির ৪০৮৫৯৫ ল্যামিনেটেড ছোট সফট-প্যাক ব্যাটারি প্রস্তুত করা হয়েছিল। 0.2C, 0.5C, 1C, 2C এবং 3C-এর রেট পারফরম্যান্স এবং 0.5C চার্জ ও 1C ডিসচার্জের সাইকেল পারফরম্যান্স পরীক্ষা করা হয়েছিল। চার্জ এবং ডিসচার্জ ভোল্টেজ পরিসীমা ছিল 2.8-4.2 V, চার্জিং পদ্ধতি ছিল কনস্ট্যান্ট কারেন্ট ও কনস্ট্যান্ট ভোল্টেজ এবং কাট-অফ কারেন্ট ছিল 0.5C।

২ ফলাফল ও আলোচনা

প্রাথমিক সিলিকন পাউডারটি স্ক্যানিং ইলেকট্রন মাইক্রোস্কোপি (SEM) দ্বারা পর্যবেক্ষণ করা হয়েছিল। চিত্র ১(ক)-তে যেমন দেখানো হয়েছে, সিলিকন পাউডারটি ছিল অনিয়মিত দানাদার এবং এর কণার আকার ছিল ২μm-এর কম। বল মিলিং করার পর, সিলিকন পাউডারের আকার উল্লেখযোগ্যভাবে কমে প্রায় ১০০ nm-এ নেমে আসে [চিত্র ১(খ)]। কণার আকার পরীক্ষায় দেখা গেছে যে বল মিলিং-এর পর সিলিকন পাউডারের D50 ছিল ১১০ nm এবং D90 ছিল ১৭৫ nm। বল মিলিং-এর পর সিলিকন পাউডারের গঠনবিন্যাস (মরফোলজি) সতর্কভাবে পরীক্ষা করলে একটি আঁশযুক্ত (ফ্লেকি) কাঠামো দেখা যায় (এই আঁশযুক্ত কাঠামোর গঠন পরবর্তীতে ক্রস-সেকশনাল SEM থেকে আরও যাচাই করা হবে)। অতএব, কণার আকার পরীক্ষা থেকে প্রাপ্ত D90 ডেটাটি ন্যানোশিটের দৈর্ঘ্যের মাত্রা হওয়া উচিত। SEM ফলাফলের সাথে মিলিয়ে বিচার করা যায় যে, প্রাপ্ত ন্যানোশিটের আকার চার্জিং এবং ডিসচার্জিং-এর সময় সিলিকন পাউডারের ভাঙনের সংকট মান ১৫০ nm-এর চেয়ে অন্তত একটি মাত্রায় ছোট। আঁশযুক্ত গঠন তৈরির প্রধান কারণ হলো ক্রিস্টালাইন সিলিকনের ক্রিস্টাল প্লেনগুলোর ভিন্ন ভিন্ন বিয়োজন শক্তি, যার মধ্যে সিলিকনের {111} প্লেনের বিয়োজন শক্তি {100} এবং {110} ক্রিস্টাল প্লেনগুলোর চেয়ে কম। তাই, বল মিলিংয়ের মাধ্যমে এই ক্রিস্টাল প্লেনটি আরও সহজে পাতলা হয়ে যায় এবং অবশেষে একটি আঁশযুক্ত কাঠামো তৈরি করে। এই আঁশযুক্ত কাঠামো আলগা কাঠামোর সঞ্চয়ে সহায়ক, সিলিকনের আয়তন প্রসারণের জন্য স্থান সংরক্ষণ করে এবং উপাদানটির স্থিতিশীলতা উন্নত করে।

ন্যানো-সিলিকন, সিএনটি এবং গ্রাফাইটযুক্ত স্লারি স্প্রে করা হয়েছিল এবং স্প্রে করার আগে ও পরের পাউডারটি এসইএম (SEM) দ্বারা পরীক্ষা করা হয়েছিল। ফলাফল চিত্র ২-এ দেখানো হয়েছে। স্প্রে করার আগে যোগ করা গ্রাফাইট ম্যাট্রিক্সটি একটি সাধারণ ফ্লেক কাঠামো, যার আকার ৫ থেকে ২০ μm [চিত্র ২(ক)]। গ্রাফাইটের কণার আকার বন্টন পরীক্ষায় দেখা যায় যে D50 হলো ১৫μm। স্প্রে করার পরে প্রাপ্ত পাউডারটির একটি গোলাকার আকৃতি রয়েছে [চিত্র ২(খ)], এবং দেখা যায় যে স্প্রে করার পরে গ্রাফাইটটি একটি আবরণ স্তর দ্বারা আবৃত হয়েছে। স্প্রে করার পরের পাউডারটির D50 হলো ২৬.২ μm। গৌণ কণাগুলির আকৃতিগত বৈশিষ্ট্য এসইএম (SEM) দ্বারা পর্যবেক্ষণ করা হয়েছিল, যা ন্যানোম্যাটেরিয়াল দ্বারা গঠিত একটি আলগা ছিদ্রযুক্ত কাঠামোর বৈশিষ্ট্য প্রদর্শন করে [চিত্র ২(গ)]। ছিদ্রযুক্ত কাঠামোটি একে অপরের সাথে জড়িত সিলিকন ন্যানোশিট এবং সিএনটি দ্বারা গঠিত [চিত্র ২(ঘ)], এবং এর পরীক্ষামূলক নির্দিষ্ট পৃষ্ঠতলের ক্ষেত্রফল (বিইটি) ৫৩.৩ মি²/গ্রাম পর্যন্ত উচ্চ। সুতরাং, স্প্রে করার পর, সিলিকন ন্যানোশিট এবং সিএনটি স্বতঃস্ফূর্তভাবে একত্রিত হয়ে একটি ছিদ্রযুক্ত কাঠামো গঠন করে।

ছিদ্রযুক্ত স্তরটিকে তরল কার্বন কোটিং দিয়ে ট্রিটমেন্ট করা হয়েছিল, এবং কার্বন কোটিং প্রিকার্সর পিচ যোগ করে কার্বনাইজেশন করার পর SEM পর্যবেক্ষণ করা হয়। ফলাফল চিত্র ৩-এ দেখানো হয়েছে। কার্বন প্রি-কোটিং-এর পর, সেকেন্ডারি কণাগুলোর পৃষ্ঠ মসৃণ হয়ে যায়, একটি সুস্পষ্ট কোটিং স্তর তৈরি হয় এবং কোটিং সম্পূর্ণ হয়, যেমনটি চিত্র ৩(ক) এবং (খ)-তে দেখানো হয়েছে। কার্বনাইজেশনের পর, পৃষ্ঠের কোটিং স্তরটি একটি ভালো কোটিং অবস্থা বজায় রাখে [চিত্র ৩(গ)]। এছাড়াও, ক্রস-সেকশনাল SEM চিত্রে স্ট্রিপ-আকৃতির ন্যানো পার্টিকেল দেখা যায় [চিত্র ৩(ঘ)], যা ন্যানোশিটের গঠনগত বৈশিষ্ট্যের সাথে মিলে যায় এবং বল মিলিং-এর পর সিলিকন ন্যানোশিট গঠনের বিষয়টি আরও যাচাই করে। এছাড়াও, চিত্র ৩(ঘ)-তে দেখা যায় যে কিছু ন্যানোশিটের মধ্যে ফিলার রয়েছে। এর প্রধান কারণ হলো তরল ফেজ কোটিং পদ্ধতি ব্যবহার করা। অ্যাসফাল্ট দ্রবণ উপাদানটির মধ্যে প্রবেশ করে, যার ফলে অভ্যন্তরীণ সিলিকন ন্যানোশিটের পৃষ্ঠে একটি কার্বন কোটিং প্রতিরক্ষামূলক স্তর তৈরি হয়। অতএব, তরল দশার আবরণ ব্যবহার করে, গৌণ কণা আবরণের প্রভাব পাওয়ার পাশাপাশি প্রাথমিক কণা আবরণের দ্বৈত কার্বন আবরণের প্রভাবও পাওয়া যেতে পারে। কার্বনাইজড পাউডারটি BET দ্বারা পরীক্ষা করা হয়েছিল এবং পরীক্ষার ফলাফল ছিল ২২.৩ মি²/গ্রাম।

কার্বনাইজড পাউডারটির ক্রস-সেকশনাল এনার্জি স্পেকট্রাম অ্যানালাইসিস (EDS) করা হয়েছিল এবং এর ফলাফল চিত্র ৪(ক)-তে দেখানো হয়েছে। মাইক্রন-আকারের কেন্দ্রটি হলো C উপাদান, যা গ্রাফাইট ম্যাট্রিক্সের অনুরূপ, এবং বাইরের আবরণে সিলিকন ও অক্সিজেন রয়েছে। সিলিকনের গঠন আরও তদন্ত করার জন্য, একটি এক্স-রে ডিফ্র্যাকশন (XRD) পরীক্ষা করা হয়েছিল এবং এর ফলাফল চিত্র ৪(খ)-তে দেখানো হয়েছে। উপাদানটি প্রধানত গ্রাফাইট এবং একক-স্ফটিক সিলিকন দ্বারা গঠিত, এতে কোনো সুস্পষ্ট সিলিকন অক্সাইড বৈশিষ্ট্য নেই, যা নির্দেশ করে যে এনার্জি স্পেকট্রাম পরীক্ষার অক্সিজেন উপাদানটি প্রধানত সিলিকন পৃষ্ঠের প্রাকৃতিক জারণ থেকে আসে। সিলিকন-কার্বন যৌগিক উপাদানটিকে S1 হিসাবে নথিভুক্ত করা হয়েছে।

প্রস্তুতকৃত সিলিকন-কার্বন উপাদান S1-কে বাটন-টাইপ হাফ-সেল উৎপাদন এবং চার্জ-ডিসচার্জ পরীক্ষার জন্য ব্যবহার করা হয়েছিল। প্রথম চার্জ-ডিসচার্জ কার্ভটি চিত্র ৫-এ দেখানো হয়েছে। এর রিভার্সিবল স্পেসিফিক ক্যাপাসিটি হলো 1000.8 mAh/g, এবং প্রথম সাইকেল এফিসিয়েন্সি ৯৩.৯% পর্যন্ত, যা সাহিত্যে উল্লিখিত প্রি-লিথিয়েশন ছাড়া বেশিরভাগ সিলিকন-ভিত্তিক উপাদানের প্রথম এফিসিয়েন্সির চেয়ে বেশি। এই উচ্চ প্রথম এফিসিয়েন্সি নির্দেশ করে যে প্রস্তুতকৃত সিলিকন-কার্বন কম্পোজিট উপাদানটির উচ্চ স্থিতিশীলতা রয়েছে। সিলিকন-কার্বন উপাদানের স্থিতিশীলতার উপর ছিদ্রযুক্ত কাঠামো, পরিবাহী নেটওয়ার্ক এবং কার্বন আবরণের প্রভাব যাচাই করার জন্য, CNT যোগ না করে এবং প্রাথমিক কার্বন আবরণ ছাড়া দুই ধরনের সিলিকন-কার্বন উপাদান প্রস্তুত করা হয়েছিল।

CNT যোগ না করে সিলিকন-কার্বন যৌগিক পদার্থের কার্বনাইজড পাউডারের গঠন চিত্র ৬-এ দেখানো হয়েছে। তরল ফেজ কোটিং এবং কার্বনাইজেশনের পরে, চিত্র ৬(ক)-তে সেকেন্ডারি কণাগুলির পৃষ্ঠে একটি কোটিং স্তর স্পষ্টভাবে দেখা যায়। কার্বনাইজড পদার্থের ক্রস-সেকশনাল SEM চিত্র ৬(খ)-তে দেখানো হয়েছে। সিলিকন ন্যানোশিটের স্তূপীকরণে ছিদ্রযুক্ত বৈশিষ্ট্য রয়েছে, এবং BET পরীক্ষার মান ১৬.৬ m²/g। তবে, CNT সহ ক্ষেত্রের তুলনায় [যেমন চিত্র ৩(ঘ)-তে দেখানো হয়েছে, এর কার্বনাইজড পাউডারের BET পরীক্ষার মান ২২.৩ m²/g], অভ্যন্তরীণ ন্যানো-সিলিকন স্তূপীকরণের ঘনত্ব বেশি, যা নির্দেশ করে যে CNT যোগ করা একটি ছিদ্রযুক্ত কাঠামো গঠনে সহায়তা করতে পারে। এছাড়াও, পদার্থটিতে CNT দ্বারা নির্মিত কোনো ত্রিমাত্রিক পরিবাহী নেটওয়ার্ক নেই। সিলিকন-কার্বন যৌগিক পদার্থটিকে S2 হিসাবে নথিভুক্ত করা হয়েছে।

সলিড-ফেজ কার্বন কোটিং দ্বারা প্রস্তুত সিলিকন-কার্বন যৌগিক পদার্থের আকারগত বৈশিষ্ট্য চিত্র ৭-এ দেখানো হয়েছে। কার্বনাইজেশনের পর, পৃষ্ঠে একটি সুস্পষ্ট আবরণ স্তর তৈরি হয়, যেমনটি চিত্র ৭(ক)-তে দেখানো হয়েছে। চিত্র ৭(খ)-তে দেখা যায় যে এর প্রস্থচ্ছেদে ফিতা-আকৃতির ন্যানো পার্টিকেল রয়েছে, যা ন্যানোশিটের আকারগত বৈশিষ্ট্যের অনুরূপ। ন্যানোশিটগুলোর পুঞ্জীভবন একটি ছিদ্রযুক্ত কাঠামো তৈরি করে। অভ্যন্তরীণ ন্যানোশিটগুলোর পৃষ্ঠে কোনো সুস্পষ্ট ফিলার নেই, যা নির্দেশ করে যে সলিড-ফেজ কার্বন কোটিং শুধুমাত্র একটি ছিদ্রযুক্ত কাঠামোসহ কার্বন আবরণ স্তর তৈরি করে এবং সিলিকন ন্যানোশিটগুলোর জন্য কোনো অভ্যন্তরীণ আবরণ স্তর থাকে না। এই সিলিকন-কার্বন যৌগিক পদার্থটিকে S3 হিসাবে নথিভুক্ত করা হয়েছে।

S2 এবং S3-এর উপর বাটন-টাইপ হাফ-সেল চার্জ এবং ডিসচার্জ পরীক্ষা করা হয়েছিল। S2-এর স্পেসিফিক ক্যাপাসিটি এবং ফার্স্ট এফিসিয়েন্সি ছিল যথাক্রমে 1120.2 mAh/g এবং 84.8%, এবং S3-এর স্পেসিফিক ক্যাপাসিটি এবং ফার্স্ট এফিসিয়েন্সি ছিল যথাক্রমে 882.5 mAh/g এবং 82.9%। সলিড-ফেজ কোটিংযুক্ত S3 নমুনার স্পেসিফিক ক্যাপাসিটি এবং ফার্স্ট এফিসিয়েন্সি ছিল সর্বনিম্ন, যা নির্দেশ করে যে শুধুমাত্র ছিদ্রযুক্ত কাঠামোর কার্বন কোটিং করা হয়েছিল এবং অভ্যন্তরীণ সিলিকন ন্যানোশিটের কার্বন কোটিং করা হয়নি, যা সিলিকন-ভিত্তিক উপাদানের স্পেসিফিক ক্যাপাসিটিকে সম্পূর্ণরূপে কাজে লাগাতে পারেনি এবং সিলিকন-ভিত্তিক উপাদানের পৃষ্ঠকে রক্ষা করতে পারেনি। CNT ছাড়া S2 নমুনার ফার্স্ট এফিসিয়েন্সিও CNT যুক্ত সিলিকন-কার্বন কম্পোজিট উপাদানের চেয়ে কম ছিল, যা নির্দেশ করে যে একটি ভালো কোটিং লেয়ারের ভিত্তিতে, পরিবাহী নেটওয়ার্ক এবং উচ্চ মাত্রার ছিদ্রযুক্ত কাঠামো সিলিকন-কার্বন উপাদানের চার্জ এবং ডিসচার্জ এফিসিয়েন্সি উন্নত করতে সহায়ক।

রেট পারফরম্যান্স এবং সাইকেল পারফরম্যান্স পরীক্ষা করার জন্য S1 সিলিকন-কার্বন উপাদান ব্যবহার করে একটি ছোট সফট-প্যাক ফুল ব্যাটারি তৈরি করা হয়েছিল। ডিসচার্জ রেট কার্ভটি চিত্র 8(a)-তে দেখানো হয়েছে। 0.2C, 0.5C, 1C, 2C এবং 3C-এর ডিসচার্জ ক্যাপাসিটি যথাক্রমে 2.970, 2.999, 2.920, 2.176 এবং 1.021 Ah। 1C ডিসচার্জ রেট 98.3% পর্যন্ত, কিন্তু 2C ডিসচার্জ রেট কমে 73.3%-এ নেমে আসে এবং 3C ডিসচার্জ রেট আরও কমে 34.4%-এ দাঁড়ায়। সিলিকন নেগেটিভ ইলেকট্রোড বিনিময় গ্রুপে যোগ দিতে, অনুগ্রহ করে WeChat-এ shimobang যোগ করুন। চার্জিং হারের নিরিখে, 0.2C, 0.5C, 1C, 2C এবং 3C চার্জিং ক্ষমতা যথাক্রমে 3.186, 3.182, 3.081, 2.686 এবং 2.289 Ah। 1C চার্জিং হার 96.7%, এবং 2C চার্জিং হার এখনও 84.3%-এ পৌঁছায়। তবে, চিত্র 8(b)-তে চার্জিং কার্ভ পর্যবেক্ষণ করলে দেখা যায়, 2C চার্জিং প্ল্যাটফর্মটি 1C চার্জিং প্ল্যাটফর্মের চেয়ে উল্লেখযোগ্যভাবে বড়, এবং এর স্থির ভোল্টেজ চার্জিং ক্ষমতার বেশিরভাগ (55%) অংশ জুড়ে রয়েছে, যা নির্দেশ করে যে 2C রিচার্জেবল ব্যাটারির পোলারাইজেশন ইতিমধ্যেই অনেক বেশি। সিলিকন-কার্বন উপাদানটির 1C-তে ভালো চার্জিং এবং ডিসচার্জিং পারফরম্যান্স রয়েছে, কিন্তু উচ্চতর হারের পারফরম্যান্স অর্জনের জন্য উপাদানটির কাঠামোগত বৈশিষ্ট্য আরও উন্নত করা প্রয়োজন। চিত্র 9-এ যেমন দেখানো হয়েছে, 450 সাইকেলের পরে, ক্ষমতা ধরে রাখার হার 78%, যা ভালো সাইকেল পারফরম্যান্স প্রদর্শন করে।

সাইকেলের আগে ও পরে ইলেকট্রোডের পৃষ্ঠের অবস্থা SEM দ্বারা পরীক্ষা করা হয়েছিল এবং ফলাফল চিত্র ১০-এ দেখানো হয়েছে। সাইকেলের আগে, গ্রাফাইট এবং সিলিকন-কার্বন উপাদানের পৃষ্ঠ পরিষ্কার থাকে [চিত্র ১০(ক)]; সাইকেলের পরে, পৃষ্ঠে একটি আবরণ স্তর স্পষ্টভাবে তৈরি হয় [চিত্র ১০(খ)], যা একটি পুরু SEI ফিল্ম। SEI ফিল্মের অমসৃণতার কারণে সক্রিয় লিথিয়ামের ব্যবহার বেশি হয়, যা সাইকেল পারফরম্যান্সের জন্য সহায়ক নয়। অতএব, একটি মসৃণ SEI ফিল্মের গঠনকে উৎসাহিত করা (যেমন কৃত্রিম SEI ফিল্ম নির্মাণ, উপযুক্ত ইলেক্ট্রোলাইট অ্যাডিটিভ যোগ করা ইত্যাদি) সাইকেল পারফরম্যান্স উন্নত করতে পারে। সাইকেলের পরে সিলিকন-কার্বন কণার ক্রস-সেকশনাল SEM পর্যবেক্ষণ [চিত্র ১০(গ)] দেখায় যে মূল ফিতা-আকৃতির সিলিকন ন্যানোকণাগুলি আরও মোটা হয়ে গেছে এবং ছিদ্রযুক্ত কাঠামোটি মূলত বিলুপ্ত হয়ে গেছে। এটি মূলত সাইকেল চলাকালীন সিলিকন-কার্বন উপাদানের ক্রমাগত আয়তন প্রসারণ এবং সংকোচনের কারণে ঘটে। অতএব, সিলিকন-ভিত্তিক উপাদানের আয়তন প্রসারণের জন্য পর্যাপ্ত বাফার স্থান সরবরাহ করতে ছিদ্রযুক্ত কাঠামোটিকে আরও উন্নত করা প্রয়োজন।

৩ উপসংহার

সিলিকন-ভিত্তিক নেগেটিভ ইলেকট্রোড উপাদানের আয়তন প্রসারণ, দুর্বল পরিবাহিতা এবং দুর্বল ইন্টারফেস স্থিতিশীলতার উপর ভিত্তি করে, এই গবেষণাপত্রটি সিলিকন ন্যানোশিটের আকার গঠন, ছিদ্রযুক্ত কাঠামো নির্মাণ, পরিবাহী নেটওয়ার্ক নির্মাণ এবং সমগ্র সেকেন্ডারি কণার সম্পূর্ণ কার্বন আবরণের মাধ্যমে সামগ্রিকভাবে সিলিকন-ভিত্তিক নেগেটিভ ইলেকট্রোড উপাদানের স্থিতিশীলতা উন্নত করার লক্ষ্যে সুনির্দিষ্ট উন্নয়ন সাধন করেছে। সিলিকন ন্যানোশিটের সঞ্চয়ন একটি ছিদ্রযুক্ত কাঠামো তৈরি করতে পারে। CNT-এর সংযোজন এই ছিদ্রযুক্ত কাঠামো গঠনে আরও সহায়তা করবে। তরল পর্যায়ের আবরণের মাধ্যমে প্রস্তুত সিলিকন-কার্বন যৌগিক উপাদানটি কঠিন পর্যায়ের আবরণের চেয়ে দ্বিগুণ কার্বন আবরণের প্রভাব দেখায় এবং উচ্চতর নির্দিষ্ট ধারণক্ষমতা ও প্রথম দক্ষতা প্রদর্শন করে। এছাড়াও, CNT যুক্ত সিলিকন-কার্বন যৌগিক উপাদানের প্রথম দক্ষতা CNT বিহীন উপাদানের চেয়ে বেশি, যার প্রধান কারণ হলো সিলিকন-ভিত্তিক উপাদানের আয়তন প্রসারণ প্রশমিত করার ক্ষেত্রে ছিদ্রযুক্ত কাঠামোর উচ্চতর ক্ষমতা। CNT-এর সংযোজন একটি ত্রিমাত্রিক পরিবাহী নেটওয়ার্ক তৈরি করবে, সিলিকন-ভিত্তিক উপাদানের পরিবাহিতা উন্নত করবে এবং 1C-তে ভালো রেট পারফরম্যান্স দেখাবে; এবং উপাদানটি ভালো সাইকেল পারফরম্যান্স প্রদর্শন করে। তবে, সিলিকনের আয়তন প্রসারণের জন্য পর্যাপ্ত বাফার স্পেস প্রদান করতে এবং একটি মসৃণ পৃষ্ঠ গঠনে সহায়তা করার জন্য উপাদানটির ছিদ্রযুক্ত কাঠামোকে আরও শক্তিশালী করা প্রয়োজন।এবং সিলিকন-কার্বন যৌগিক উপাদানটির চক্র কর্মক্ষমতা আরও উন্নত করার জন্য ঘন SEI ফিল্ম।

আমরা উচ্চ-বিশুদ্ধ গ্রাফাইট এবং সিলিকন কার্বাইড পণ্যও সরবরাহ করি, যা ওয়েফার প্রক্রিয়াকরণে অক্সিডেশন, ডিফিউশন এবং অ্যানিলিং-এর মতো কাজে ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হয়।

আরও আলোচনার জন্য সারা বিশ্ব থেকে আগত সকল গ্রাহককে আমাদের এখানে আসার জন্য স্বাগত জানাই!

https://www.vet-china.com/