ছিদ্রযুক্ত সিলিকন কার্বন কম্পোজিট উপকরণের প্রস্তুতি এবং কর্মক্ষমতা উন্নতি

লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারিগুলি মূলত উচ্চ শক্তি ঘনত্বের দিকে বিকশিত হচ্ছে। ঘরের তাপমাত্রায়, সিলিকন-ভিত্তিক নেতিবাচক ইলেকট্রোড উপকরণগুলি লিথিয়ামের সাথে মিশ্রিত হয়ে লিথিয়াম-সমৃদ্ধ পণ্য Li3.75Si ফেজ তৈরি করে, যার নির্দিষ্ট ক্ষমতা 3572 mAh/g পর্যন্ত, যা গ্রাফাইট নেতিবাচক ইলেকট্রোড 372 mAh/g এর তাত্ত্বিক নির্দিষ্ট ক্ষমতার চেয়ে অনেক বেশি। যাইহোক, সিলিকন-ভিত্তিক নেতিবাচক ইলেকট্রোড উপকরণগুলির বারবার চার্জিং এবং ডিসচার্জিং প্রক্রিয়ার সময়, Si এবং Li3.75Si এর ফেজ রূপান্তর বিশাল আয়তনের সম্প্রসারণ (প্রায় 300%) তৈরি করতে পারে, যা ইলেকট্রোড উপকরণগুলির কাঠামোগত পাউডারিং এবং SEI ফিল্মের ক্রমাগত গঠনের দিকে পরিচালিত করবে এবং অবশেষে ক্ষমতা দ্রুত হ্রাস পাবে। শিল্পটি মূলত ন্যানো-সাইজিং, কার্বন আবরণ, ছিদ্র গঠন এবং অন্যান্য প্রযুক্তির মাধ্যমে সিলিকন-ভিত্তিক নেতিবাচক ইলেকট্রোড উপকরণগুলির কর্মক্ষমতা এবং সিলিকন-ভিত্তিক ব্যাটারির স্থায়িত্ব উন্নত করে।

কার্বন পদার্থের পরিবাহিতা ভালো, খরচ কম এবং উৎস বিস্তৃত। এগুলো সিলিকন-ভিত্তিক পদার্থের পরিবাহিতা এবং পৃষ্ঠের স্থিতিশীলতা উন্নত করতে পারে। সিলিকন-ভিত্তিক নেতিবাচক ইলেকট্রোডের জন্য কর্মক্ষমতা উন্নতির সংযোজন হিসেবে এগুলিকে অগ্রাধিকার দেওয়া হয়। সিলিকন-ভিত্তিক নেতিবাচক ইলেকট্রোডের বিকাশের মূলধারার দিক হল সিলিকন-কার্বন উপকরণ। কার্বন আবরণ সিলিকন-ভিত্তিক উপকরণের পৃষ্ঠের স্থিতিশীলতা উন্নত করতে পারে, কিন্তু সিলিকনের আয়তন সম্প্রসারণকে বাধা দেওয়ার ক্ষমতা সাধারণ এবং সিলিকনের আয়তন সম্প্রসারণের সমস্যা সমাধান করতে পারে না। অতএব, সিলিকন-ভিত্তিক উপকরণের স্থিতিশীলতা উন্নত করার জন্য, ছিদ্রযুক্ত কাঠামো তৈরি করা প্রয়োজন। বল মিলিং হল ন্যানোম্যাটেরিয়াল প্রস্তুত করার জন্য একটি শিল্পায়িত পদ্ধতি। যৌগিক উপাদানের নকশার প্রয়োজনীয়তা অনুসারে বল মিলিং দ্বারা প্রাপ্ত স্লারিতে বিভিন্ন সংযোজন বা উপাদান উপাদান যোগ করা যেতে পারে। স্লারিটি বিভিন্ন স্লারির মাধ্যমে সমানভাবে ছড়িয়ে দেওয়া হয় এবং স্প্রে-শুকানো হয়। তাৎক্ষণিক শুকানোর প্রক্রিয়া চলাকালীন, স্লারিতে থাকা ন্যানো পার্টিকেল এবং অন্যান্য উপাদানগুলি স্বতঃস্ফূর্তভাবে ছিদ্রযুক্ত কাঠামোগত বৈশিষ্ট্য তৈরি করবে। এই কাগজটি ছিদ্রযুক্ত সিলিকন-ভিত্তিক উপকরণ প্রস্তুত করতে শিল্পায়িত এবং পরিবেশ বান্ধব বল মিলিং এবং স্প্রে শুকানোর প্রযুক্তি ব্যবহার করে।

সিলিকন-ভিত্তিক উপকরণের কর্মক্ষমতা সিলিকন ন্যানোম্যাটেরিয়ালের রূপবিদ্যা এবং বিতরণ বৈশিষ্ট্য নিয়ন্ত্রণ করেও উন্নত করা যেতে পারে। বর্তমানে, বিভিন্ন রূপবিদ্যা এবং বিতরণ বৈশিষ্ট্য সহ সিলিকন-ভিত্তিক উপকরণ প্রস্তুত করা হয়েছে, যেমন সিলিকন ন্যানোরড, ছিদ্রযুক্ত গ্রাফাইট এমবেডেড ন্যানোসিলিকন, কার্বন গোলকে বিতরণ করা ন্যানোসিলিকন, সিলিকন/গ্রাফিন অ্যারে ছিদ্রযুক্ত কাঠামো ইত্যাদি। ন্যানো পার্টিকেলের তুলনায় একই স্কেলে, ন্যানোশিটগুলি আয়তন সম্প্রসারণের ফলে সৃষ্ট ক্রাশিং সমস্যাকে আরও ভালভাবে দমন করতে পারে এবং উপাদানটির কম্প্যাকশন ঘনত্ব বেশি। ন্যানোশিটের বিশৃঙ্খল স্ট্যাকিং একটি ছিদ্রযুক্ত কাঠামোও তৈরি করতে পারে। সিলিকন নেতিবাচক ইলেকট্রোড বিনিময় গোষ্ঠীতে যোগদান করতে। সিলিকন উপকরণের আয়তন সম্প্রসারণের জন্য একটি বাফার স্পেস প্রদান করুন। কার্বন ন্যানোটিউব (CNTs) প্রবর্তন কেবল উপাদানের পরিবাহিতা উন্নত করতে পারে না, বরং এর এক-মাত্রিক রূপগত বৈশিষ্ট্যের কারণে উপাদানের ছিদ্রযুক্ত কাঠামো গঠনকেও উৎসাহিত করে। সিলিকন ন্যানোশিট এবং CNTs দ্বারা নির্মিত ছিদ্রযুক্ত কাঠামো সম্পর্কে কোনও প্রতিবেদন নেই। এই গবেষণাপত্রটি শিল্পগতভাবে প্রযোজ্য বল মিলিং, গ্রাইন্ডিং এবং ডিসপারশন, স্প্রে শুকানো, কার্বন প্রি-কোটিং এবং ক্যালসিনেশন পদ্ধতি গ্রহণ করে এবং সিলিকন ন্যানোশিট এবং সিএনটি-র স্ব-সমাবেশ দ্বারা গঠিত ছিদ্রযুক্ত সিলিকন-ভিত্তিক নেতিবাচক ইলেকট্রোড উপকরণ প্রস্তুত করার জন্য প্রস্তুতি প্রক্রিয়ায় ছিদ্রযুক্ত প্রোমোটারদের পরিচয় করিয়ে দেয়। প্রস্তুতি প্রক্রিয়াটি সহজ, পরিবেশ বান্ধব, এবং কোনও বর্জ্য তরল বা বর্জ্য অবশিষ্টাংশ তৈরি হয় না। সিলিকন-ভিত্তিক উপকরণের কার্বন আবরণ সম্পর্কে অনেক সাহিত্য প্রতিবেদন রয়েছে, তবে আবরণের প্রভাব সম্পর্কে খুব কমই গভীর আলোচনা রয়েছে। এই গবেষণাপত্রটি দুটি কার্বন আবরণ পদ্ধতি, তরল ফেজ আবরণ এবং কঠিন ফেজ আবরণের আবরণ প্রভাব এবং সিলিকন-ভিত্তিক নেতিবাচক ইলেকট্রোড উপকরণের কর্মক্ষমতার উপর প্রভাব তদন্ত করার জন্য কার্বন উৎস হিসাবে অ্যাসফল্ট ব্যবহার করে।

১টি পরীক্ষা

১.১ উপাদান প্রস্তুতি

ছিদ্রযুক্ত সিলিকন-কার্বন যৌগিক পদার্থ তৈরিতে প্রধানত পাঁচটি ধাপ অন্তর্ভুক্ত থাকে: বল মিলিং, গ্রাইন্ডিং এবং ডিসপারশন, স্প্রে ড্রাইং, কার্বন প্রি-কোটিং এবং কার্বনাইজেশন। প্রথমে, ৫০০ গ্রাম প্রাথমিক সিলিকন পাউডার (গার্হস্থ্য, ৯৯.৯৯% বিশুদ্ধতা) ওজন করুন, ২০০০ গ্রাম আইসোপ্রোপানল যোগ করুন এবং ন্যানো-স্কেল সিলিকন স্লারি পেতে ২৪ ঘন্টা ধরে ২০০০ আর/মিনিট বল মিলিং গতিতে ওয়েট বল মিলিং করুন। প্রাপ্ত সিলিকন স্লারিটি একটি ডিসপারশন ট্রান্সফার ট্যাঙ্কে স্থানান্তরিত হয় এবং সিলিকনের ভর অনুপাত অনুসারে উপকরণগুলি যোগ করা হয়: গ্রাফাইট (সাংহাইতে উৎপাদিত, ব্যাটারি গ্রেড): কার্বন ন্যানোটিউব (তিয়ানজিনে উৎপাদিত, ব্যাটারি গ্রেড): পলিভিনাইল পাইরোলিডোন (তিয়ানজিনে উৎপাদিত, বিশ্লেষণাত্মক গ্রেড) = ৪০:৬০:১.৫:২। কঠিন উপাদান সামঞ্জস্য করতে আইসোপ্রোপানল ব্যবহার করা হয় এবং কঠিন উপাদান ১৫% হওয়ার জন্য ডিজাইন করা হয়েছে। গ্রাইন্ডিং এবং ডিসপারশন ৪ ঘন্টা ধরে ৩৫০০ আর/মিনিট বিচ্ছুরণ গতিতে সঞ্চালিত হয়। CNT যোগ না করে স্লারির আরেকটি গ্রুপ তুলনা করা হয়, এবং অন্যান্য উপকরণ একই রকম। প্রাপ্ত ছড়িয়ে পড়া স্লারিটি তারপর একটি স্প্রে শুকানোর ফিডিং ট্যাঙ্কে স্থানান্তরিত করা হয়, এবং স্প্রে শুকানোর কাজটি নাইট্রোজেন-সুরক্ষিত বায়ুমণ্ডলে করা হয়, যার প্রবেশ এবং বহির্গমন তাপমাত্রা যথাক্রমে 180 এবং 90 °C হয়। তারপর দুটি ধরণের কার্বন আবরণ তুলনা করা হয়, সলিড ফেজ আবরণ এবং লিকুইড ফেজ আবরণ। সলিড ফেজ আবরণ পদ্ধতি হল: স্প্রে-শুকনো পাউডারটি 20% অ্যাসফল্ট পাউডারের সাথে মিশ্রিত করা হয় (কোরিয়ায় তৈরি, D50 হল 5 μm), 10 মিনিটের জন্য একটি যান্ত্রিক মিক্সারে মিশ্রিত করা হয় এবং প্রি-কোটেড পাউডার পেতে মিশ্রণের গতি 2000 r/min। তরল ফেজ আবরণ পদ্ধতি হল: স্প্রে-শুকনো পাউডারটি একটি জাইলিন দ্রবণে (তিয়ানজিনে তৈরি, বিশ্লেষণাত্মক গ্রেড) যোগ করা হয় যার মধ্যে 20% অ্যাসফল্ট পাউডারের মধ্যে 55% কঠিন পরিমাণে দ্রবীভূত হয় এবং ভ্যাকুয়াম সমানভাবে নাড়াচাড়া করা হয়। ভ্যাকুয়াম ওভেনে ৮৫ ডিগ্রি সেলসিয়াসে ৪ ঘন্টা বেক করুন, মেশানোর জন্য একটি যান্ত্রিক মিক্সারে রাখুন, মিশ্রণের গতি ২০০০ আর/মিনিট, এবং প্রি-কোটেড পাউডার পেতে মিশ্রণের সময় ১০ মিনিট। অবশেষে, প্রি-কোটেড পাউডারটি একটি ঘূর্ণায়মান ভাটিতে নাইট্রোজেন বায়ুমণ্ডলের নীচে ৫°C/মিনিট উত্তাপের হারে ক্যালসাইন করা হয়েছিল। এটি প্রথমে ৫৫০°C এর স্থির তাপমাত্রায় ২ ঘন্টা ধরে রাখা হয়েছিল, তারপর ৮০০°C পর্যন্ত উত্তাপিত হতে থাকে এবং ২ ঘন্টা ধরে স্থির তাপমাত্রায় রাখা হয়, এবং তারপর প্রাকৃতিকভাবে ১০০°C এর নিচে ঠান্ডা করে সিলিকন-কার্বন যৌগিক উপাদান তৈরি করতে ছেড়ে দেওয়া হয়।

১.২ চরিত্রায়ন পদ্ধতি

উপাদানটির কণা আকার বন্টন একটি কণা আকার পরীক্ষক (মাস্টারসাইজার 2000 সংস্করণ, যুক্তরাজ্যে তৈরি) ব্যবহার করে বিশ্লেষণ করা হয়েছিল। প্রতিটি ধাপে প্রাপ্ত পাউডারগুলি ইলেক্ট্রন মাইক্রোস্কোপি (Regulus8220, জাপানে তৈরি) স্ক্যান করে পরীক্ষা করা হয়েছিল পাউডারগুলির আকারবিদ্যা এবং আকার পরীক্ষা করার জন্য। উপাদানটির ফেজ কাঠামোটি একটি এক্স-রে পাউডার বিবর্তন বিশ্লেষক (D8 ADVANCE, জার্মানিতে তৈরি) ব্যবহার করে বিশ্লেষণ করা হয়েছিল এবং উপাদানটির মৌলিক গঠন একটি শক্তি বর্ণালী বিশ্লেষক ব্যবহার করে বিশ্লেষণ করা হয়েছিল। প্রাপ্ত সিলিকন-কার্বন যৌগিক উপাদানটি মডেল CR2032 এর একটি বোতাম অর্ধ-কোষ তৈরি করতে ব্যবহার করা হয়েছিল এবং সিলিকন-কার্বন: SP: CNT: CMC: SBR এর ভর অনুপাত ছিল 92:2:2:1.5:2.5। কাউন্টার ইলেক্ট্রোডটি একটি ধাতব লিথিয়াম শীট, ইলেক্ট্রোলাইটটি একটি বাণিজ্যিক ইলেক্ট্রোলাইট (মডেল 1901, কোরিয়ায় তৈরি), সেলগার্ড 2320 ডায়াফ্রাম ব্যবহার করা হয়েছে, চার্জ এবং ডিসচার্জ ভোল্টেজ পরিসীমা 0.005-1.5 V, চার্জ এবং ডিসচার্জ কারেন্ট 0.1 C (1C = 1A), এবং ডিসচার্জ কাট-অফ কারেন্ট 0.05 C।

সিলিকন-কার্বন কম্পোজিট উপকরণের কার্যকারিতা আরও তদন্ত করার জন্য, ল্যামিনেটেড ছোট সফট-প্যাক ব্যাটারি 408595 তৈরি করা হয়েছিল। পজিটিভ ইলেক্ট্রোডটি NCM811 (হুনানে তৈরি, ব্যাটারি গ্রেড) ব্যবহার করে এবং নেগেটিভ ইলেক্ট্রোড গ্রাফাইট 8% সিলিকন-কার্বন উপাদান দিয়ে ডোপ করা হয়। পজিটিভ ইলেক্ট্রোড স্লারি সূত্র হল 96% NCM811, 1.2% পলিভিনাইলিডিন ফ্লোরাইড (PVDF), 2% পরিবাহী এজেন্ট SP, 0.8% CNT, এবং NMP একটি বিচ্ছুরণকারী হিসাবে ব্যবহৃত হয়; নেগেটিভ ইলেক্ট্রোড স্লারি সূত্র হল 96% কম্পোজিট নেগেটিভ ইলেক্ট্রোড উপাদান, 1.3% CMC, 1.5% SBR 1.2% CNT, এবং জল একটি বিচ্ছুরণকারী হিসাবে ব্যবহৃত হয়। নাড়াচাড়া, আবরণ, ঘূর্ণায়মান, কাটা, ল্যামিনেশন, ট্যাব ওয়েল্ডিং, প্যাকেজিং, বেকিং, তরল ইনজেকশন, গঠন এবং ক্ষমতা বিভাজনের পরে, 3 Ah এর রেটযুক্ত ক্ষমতা সহ 408595টি ল্যামিনেটেড ছোট সফট প্যাক ব্যাটারি প্রস্তুত করা হয়েছিল। 0.2C, 0.5C, 1C, 2C এবং 3C এর রেট পারফরম্যান্স এবং 0.5C চার্জ এবং 1C ডিসচার্জের চক্র পারফরম্যান্স পরীক্ষা করা হয়েছিল। চার্জ এবং ডিসচার্জ ভোল্টেজের পরিসর ছিল 2.8-4.2 V, ধ্রুবক কারেন্ট এবং ধ্রুবক ভোল্টেজ চার্জিং, এবং কাট-অফ কারেন্ট ছিল 0.5C।

২ ফলাফল এবং আলোচনা

প্রাথমিক সিলিকন পাউডারটি ইলেক্ট্রন মাইক্রোস্কোপি (SEM) স্ক্যান করে পর্যবেক্ষণ করা হয়েছিল। চিত্র 1(a) তে দেখানো হয়েছে যে সিলিকন পাউডারটি অনিয়মিতভাবে দানাদার ছিল যার কণার আকার 2μm এর কম ছিল। বল মিলিংয়ের পরে, সিলিকন পাউডারের আকার উল্লেখযোগ্যভাবে প্রায় 100 nm [চিত্র 1(b)] এ হ্রাস পেয়েছে। কণা আকার পরীক্ষায় দেখা গেছে যে বল মিলিংয়ের পরে সিলিকন পাউডারের D50 ছিল 110 nm এবং D90 ছিল 175 nm। বল মিলিংয়ের পরে সিলিকন পাউডারের রূপবিদ্যার একটি যত্ন সহকারে পরীক্ষা করলে একটি ফ্ল্যাকি কাঠামো দেখা যায় (ফ্ল্যাকি কাঠামোর গঠন পরে ক্রস-সেকশনাল SEM থেকে আরও যাচাই করা হবে)। অতএব, কণা আকার পরীক্ষা থেকে প্রাপ্ত D90 ডেটা ন্যানোশিটের দৈর্ঘ্যের মাত্রা হওয়া উচিত। SEM ফলাফলের সাথে মিলিত হয়ে, এটি বিচার করা যেতে পারে যে প্রাপ্ত ন্যানোশিটের আকার কমপক্ষে একটি মাত্রায় চার্জিং এবং ডিসচার্জিংয়ের সময় সিলিকন পাউডারের ভাঙ্গনের 150 nm এর সমালোচনামূলক মানের চেয়ে ছোট। স্ফটিক সিলিকনের স্ফটিক সমতলের বিভিন্ন বিয়োজন শক্তির কারণে মূলত ফ্লেকি মর্ফোলজির গঠন ঘটে, যার মধ্যে সিলিকনের {111} সমতলের বিয়োজন শক্তি {100} এবং {110} স্ফটিক সমতলের তুলনায় কম। অতএব, বল মিলিং দ্বারা এই স্ফটিক সমতলটি আরও সহজে পাতলা করা হয় এবং অবশেষে একটি ফ্লেকি কাঠামো তৈরি করে। ফ্লেকি কাঠামো আলগা কাঠামো জমা করার জন্য সহায়ক, সিলিকনের আয়তন প্রসারণের জন্য স্থান সংরক্ষণ করে এবং উপাদানের স্থায়িত্ব উন্নত করে।

ন্যানো-সিলিকন, CNT এবং গ্রাফাইট ধারণকারী স্লারি স্প্রে করা হয়েছিল, এবং স্প্রে করার আগে এবং পরে পাউডার SEM দ্বারা পরীক্ষা করা হয়েছিল। ফলাফল চিত্র 2 এ দেখানো হয়েছে। স্প্রে করার আগে যোগ করা গ্রাফাইট ম্যাট্রিক্স হল 5 থেকে 20 μm আকারের একটি সাধারণ ফ্লেক কাঠামো [চিত্র 2(a)]। গ্রাফাইটের কণা আকার বিতরণ পরীক্ষা দেখায় যে D50 হল 15μm। স্প্রে করার পরে প্রাপ্ত পাউডারটির একটি গোলাকার আকারবিদ্যা [চিত্র 2(b)] রয়েছে, এবং দেখা যায় যে স্প্রে করার পরে গ্রাফাইটটি আবরণ স্তর দ্বারা আবৃত। স্প্রে করার পরে পাউডারের D50 হল 26.2 μm। SEM দ্বারা গৌণ কণাগুলির রূপগত বৈশিষ্ট্যগুলি পর্যবেক্ষণ করা হয়েছিল, যা ন্যানোম্যাটেরিয়াল দ্বারা সঞ্চিত একটি আলগা ছিদ্রযুক্ত কাঠামোর বৈশিষ্ট্যগুলি দেখায় [চিত্র 2(c)]। ছিদ্রযুক্ত কাঠামোটি সিলিকন ন্যানোশিট এবং CNT দ্বারা গঠিত যা একে অপরের সাথে জড়িত [চিত্র 2(d)], এবং পরীক্ষার নির্দিষ্ট পৃষ্ঠের ক্ষেত্রফল (BET) 53.3 m2/g পর্যন্ত বেশি। অতএব, স্প্রে করার পর, সিলিকন ন্যানোশিট এবং সিএনটিগুলি স্ব-একত্রিত হয়ে একটি ছিদ্রযুক্ত কাঠামো তৈরি করে।

ছিদ্রযুক্ত স্তরটি তরল কার্বন আবরণ দিয়ে প্রক্রিয়াজাত করা হয়েছিল, এবং কার্বন আবরণের পূর্বসূরী পিচ এবং কার্বনাইজেশন যোগ করার পরে, SEM পর্যবেক্ষণ করা হয়েছিল। ফলাফল চিত্র 3 এ দেখানো হয়েছে। কার্বন প্রি-কোটিং এর পরে, গৌণ কণাগুলির পৃষ্ঠটি মসৃণ হয়ে যায়, একটি স্পষ্ট আবরণ স্তর সহ, এবং আবরণটি সম্পূর্ণ হয়, যেমন চিত্র 3(a) এবং (b) এ দেখানো হয়েছে। কার্বনাইজেশনের পরে, পৃষ্ঠের আবরণ স্তরটি একটি ভাল আবরণ অবস্থা বজায় রাখে [চিত্র 3(c)]। এছাড়াও, ক্রস-সেকশনাল SEM চিত্রটি স্ট্রিপ-আকৃতির ন্যানো পার্টিকেল [চিত্র 3(d)] দেখায়, যা ন্যানোশিটের রূপগত বৈশিষ্ট্যের সাথে সামঞ্জস্যপূর্ণ, বল মিলিংয়ের পরে সিলিকন ন্যানোশিটের গঠন আরও যাচাই করে। এছাড়াও, চিত্র 3(d) দেখায় যে কিছু ন্যানোশিটের মধ্যে ফিলার রয়েছে। এটি মূলত তরল ফেজ আবরণ পদ্ধতি ব্যবহারের কারণে। অ্যাসফল্ট দ্রবণ উপাদানের মধ্যে প্রবেশ করবে, যাতে অভ্যন্তরীণ সিলিকন ন্যানোশিটের পৃষ্ঠটি একটি কার্বন আবরণ প্রতিরক্ষামূলক স্তর পায়। অতএব, তরল ফেজ আবরণ ব্যবহার করে, সেকেন্ডারি পার্টিকেল লেপ প্রভাব প্রাপ্ত করার পাশাপাশি, প্রাথমিক পার্টিকেল লেপের ডাবল কার্বন লেপ প্রভাবও পাওয়া যেতে পারে। কার্বনাইজড পাউডারটি BET দ্বারা পরীক্ষা করা হয়েছিল এবং পরীক্ষার ফলাফল ছিল 22.3 m2/g।

কার্বনাইজড পাউডারটি ক্রস-সেকশনাল এনার্জি স্পেকট্রাম অ্যানালাইসিস (EDS) এর অধীনে আনা হয়েছিল এবং ফলাফল চিত্র 4(a) এ দেখানো হয়েছে। মাইক্রোন-আকারের কোরটি C উপাদান, যা গ্রাফাইট ম্যাট্রিক্সের সাথে সামঞ্জস্যপূর্ণ এবং বাইরের আবরণে সিলিকন এবং অক্সিজেন রয়েছে। সিলিকনের গঠন আরও তদন্ত করার জন্য, একটি এক্স-রে ডিফ্র্যাকশন (XRD) পরীক্ষা করা হয়েছিল এবং ফলাফল চিত্র 4(b) এ দেখানো হয়েছে। উপাদানটি মূলত গ্রাফাইট এবং একক-স্ফটিক সিলিকন দিয়ে গঠিত, যার কোনও স্পষ্ট সিলিকন অক্সাইড বৈশিষ্ট্য নেই, যা ইঙ্গিত করে যে শক্তি বর্ণালী পরীক্ষার অক্সিজেন উপাদানটি মূলত সিলিকন পৃষ্ঠের প্রাকৃতিক জারণ থেকে আসে। সিলিকন-কার্বন যৌগিক উপাদানটি S1 হিসাবে রেকর্ড করা হয়েছে।

প্রস্তুতকৃত সিলিকন-কার্বন উপাদান S1-কে বোতাম-ধরণের অর্ধ-কোষ উৎপাদন এবং চার্জ-স্রাব পরীক্ষা করা হয়েছিল। প্রথম চার্জ-স্রাব বক্ররেখা চিত্র 5-এ দেখানো হয়েছে। বিপরীতমুখী নির্দিষ্ট ক্ষমতা হল 1000.8 mAh/g, এবং প্রথম চক্রের দক্ষতা 93.9% পর্যন্ত, যা সাহিত্যে উল্লিখিত প্রাক-লিথিয়েশন ছাড়াই বেশিরভাগ সিলিকন-ভিত্তিক উপকরণের প্রথম দক্ষতার চেয়ে বেশি। উচ্চ প্রথম দক্ষতা নির্দেশ করে যে প্রস্তুতকৃত সিলিকন-কার্বন যৌগিক উপাদানের উচ্চ স্থিতিশীলতা রয়েছে। সিলিকন-কার্বন পদার্থের স্থায়িত্বের উপর ছিদ্রযুক্ত কাঠামো, পরিবাহী নেটওয়ার্ক এবং কার্বন আবরণের প্রভাব যাচাই করার জন্য, CNT যোগ না করে এবং প্রাথমিক কার্বন আবরণ ছাড়াই দুই ধরণের সিলিকন-কার্বন উপকরণ প্রস্তুত করা হয়েছিল।

সিএনটি যোগ না করে সিলিকন-কার্বন যৌগিক পদার্থের কার্বনাইজড পাউডারের রূপবিদ্যা চিত্র 6-এ দেখানো হয়েছে। তরল পর্যায়ের আবরণ এবং কার্বনাইজেশনের পরে, চিত্র 6(a) তে গৌণ কণার পৃষ্ঠে একটি আবরণ স্তর স্পষ্টভাবে দেখা যায়। কার্বনাইজড পদার্থের ক্রস-সেকশনাল SEM চিত্র 6(b) তে দেখানো হয়েছে। সিলিকন ন্যানোশিটের স্ট্যাকিংয়ে ছিদ্রযুক্ত বৈশিষ্ট্য রয়েছে এবং BET পরীক্ষা 16.6 m2/g। তবে, CNT-এর ক্ষেত্রে [চিত্র 3(d) তে দেখানো হয়েছে, এর কার্বনাইজড পাউডারের BET পরীক্ষা 22.3 m2/g] তুলনা করলে, অভ্যন্তরীণ ন্যানো-সিলিকন স্ট্যাকিং ঘনত্ব বেশি, যা নির্দেশ করে যে CNT যোগ করলে ছিদ্রযুক্ত কাঠামো তৈরি হতে পারে। উপরন্তু, উপাদানটিতে CNT দ্বারা নির্মিত ত্রিমাত্রিক পরিবাহী নেটওয়ার্ক নেই। সিলিকন-কার্বন যৌগিক পদার্থটি S2 হিসাবে রেকর্ড করা হয়েছে।

সলিড-ফেজ কার্বন আবরণ দ্বারা প্রস্তুত সিলিকন-কার্বন যৌগিক পদার্থের রূপগত বৈশিষ্ট্য চিত্র ৭-এ দেখানো হয়েছে। কার্বনাইজেশনের পরে, পৃষ্ঠে একটি স্পষ্ট আবরণ স্তর থাকে, যেমন চিত্র ৭(ক) এ দেখানো হয়েছে। চিত্র ৭(খ) দেখায় যে ক্রস সেকশনে স্ট্রিপ-আকৃতির ন্যানো পার্টিকেল রয়েছে, যা ন্যানোশিটের রূপগত বৈশিষ্ট্যের সাথে মিলে যায়। ন্যানোশিটগুলির জমাটবদ্ধতা একটি ছিদ্রযুক্ত কাঠামো তৈরি করে। অভ্যন্তরীণ ন্যানোশিটের পৃষ্ঠে কোনও স্পষ্ট ফিলার নেই, যা নির্দেশ করে যে সলিড-ফেজ কার্বন আবরণ কেবল একটি ছিদ্রযুক্ত কাঠামো সহ একটি কার্বন আবরণ স্তর তৈরি করে এবং সিলিকন ন্যানোশিটের জন্য কোনও অভ্যন্তরীণ আবরণ স্তর নেই। এই সিলিকন-কার্বন যৌগিক পদার্থটি S3 হিসাবে রেকর্ড করা হয়েছে।

S2 এবং S3-তে বোতাম-টাইপ হাফ-সেল চার্জ এবং ডিসচার্জ পরীক্ষা করা হয়েছিল। S2-এর নির্দিষ্ট ক্ষমতা এবং প্রথম দক্ষতা যথাক্রমে 1120.2 mAh/g এবং 84.8% এবং S3-এর নির্দিষ্ট ক্ষমতা এবং প্রথম দক্ষতা যথাক্রমে 882.5 mAh/g এবং 82.9% ছিল। সলিড-ফেজ লেপযুক্ত S3 নমুনার নির্দিষ্ট ক্ষমতা এবং প্রথম দক্ষতা সর্বনিম্ন ছিল, যা নির্দেশ করে যে শুধুমাত্র ছিদ্রযুক্ত কাঠামোর কার্বন আবরণ সঞ্চালিত হয়েছিল, এবং অভ্যন্তরীণ সিলিকন ন্যানোশিটের কার্বন আবরণ সঞ্চালিত হয়নি, যা সিলিকন-ভিত্তিক উপাদানের নির্দিষ্ট ক্ষমতাকে পূর্ণ খেলা দিতে পারেনি এবং সিলিকন-ভিত্তিক উপাদানের পৃষ্ঠকে রক্ষা করতে পারেনি। CNT ছাড়া S2 নমুনার প্রথম দক্ষতা CNT ধারণকারী সিলিকন-কার্বন যৌগিক উপাদানের তুলনায়ও কম ছিল, যা নির্দেশ করে যে একটি ভাল আবরণ স্তরের ভিত্তিতে, পরিবাহী নেটওয়ার্ক এবং উচ্চতর ডিগ্রী ছিদ্রযুক্ত কাঠামো সিলিকন-কার্বন উপাদানের চার্জ এবং ডিসচার্জ দক্ষতার উন্নতির জন্য সহায়ক।

S1 সিলিকন-কার্বন উপাদান ব্যবহার করে একটি ছোট সফট-প্যাক পূর্ণ ব্যাটারি তৈরি করা হয়েছিল যাতে রেট পারফরম্যান্স এবং সাইকেল পারফরম্যান্স পরীক্ষা করা যায়। ডিসচার্জ রেট কার্ভ চিত্র 8(a) এ দেখানো হয়েছে। 0.2C, 0.5C, 1C, 2C এবং 3C এর ডিসচার্জ ক্ষমতা যথাক্রমে 2.970, 2.999, 2.920, 2.176 এবং 1.021 Ah। 1C ডিসচার্জ রেট 98.3% পর্যন্ত উচ্চ, কিন্তু 2C ডিসচার্জ রেট 73.3% এ নেমে আসে এবং 3C ডিসচার্জ রেট আরও 34.4% এ নেমে আসে। সিলিকন নেগেটিভ ইলেক্ট্রোড এক্সচেঞ্জ গ্রুপে যোগদানের জন্য, দয়া করে WeChat: shimobang যোগ করুন। চার্জিং হারের দিক থেকে, 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। যাইহোক, চিত্র 8(b)-এ চার্জিং বক্ররেখা পর্যবেক্ষণ করলে, 2C চার্জিং প্ল্যাটফর্মটি 1C চার্জিং প্ল্যাটফর্মের তুলনায় উল্লেখযোগ্যভাবে বড় এবং এর ধ্রুবক ভোল্টেজ চার্জিং ক্ষমতা বেশিরভাগ (55%) এর জন্য দায়ী, যা ইঙ্গিত করে যে 2C রিচার্জেবল ব্যাটারির মেরুকরণ ইতিমধ্যেই অনেক বড়। সিলিকন-কার্বন উপাদানের 1C-তে ভাল চার্জিং এবং ডিসচার্জিং কর্মক্ষমতা রয়েছে, তবে উচ্চ হারের কর্মক্ষমতা অর্জনের জন্য উপাদানের কাঠামোগত বৈশিষ্ট্যগুলি আরও উন্নত করা প্রয়োজন। চিত্র 9-তে দেখানো হয়েছে, 450 চক্রের পরে, ক্ষমতা ধরে রাখার হার 78%, যা ভাল চক্র কর্মক্ষমতা দেখায়।

চক্রের আগে এবং পরে ইলেক্ট্রোডের পৃষ্ঠের অবস্থা SEM দ্বারা তদন্ত করা হয়েছিল, এবং ফলাফল চিত্র 10 এ দেখানো হয়েছে। চক্রের আগে, গ্রাফাইট এবং সিলিকন-কার্বন পদার্থের পৃষ্ঠ পরিষ্কার [চিত্র 10(a)]; চক্রের পরে, পৃষ্ঠের উপর স্পষ্টতই একটি আবরণ স্তর তৈরি হয় [চিত্র 10(b)], যা একটি পুরু SEI ফিল্ম। SEI ফিল্ম রুক্ষতা সক্রিয় লিথিয়াম খরচ বেশি, যা চক্রের কর্মক্ষমতার জন্য সহায়ক নয়। অতএব, একটি মসৃণ SEI ফিল্ম গঠন (যেমন কৃত্রিম SEI ফিল্ম নির্মাণ, উপযুক্ত ইলেক্ট্রোলাইট সংযোজন যোগ করা ইত্যাদি) প্রচার করা চক্রের কর্মক্ষমতা উন্নত করতে পারে। চক্রের পরে সিলিকন-কার্বন কণার ক্রস-সেকশনাল SEM পর্যবেক্ষণ [চিত্র 10(c)] দেখায় যে মূল স্ট্রিপ-আকৃতির সিলিকন ন্যানো পার্টিকেলগুলি মোটা হয়ে গেছে এবং ছিদ্রযুক্ত কাঠামো মূলত বাদ দেওয়া হয়েছে। এটি মূলত চক্র চলাকালীন সিলিকন-কার্বন উপাদানের ক্রমাগত আয়তন সম্প্রসারণ এবং সংকোচনের কারণে। অতএব, সিলিকন-ভিত্তিক উপাদানের আয়তন সম্প্রসারণের জন্য পর্যাপ্ত বাফার স্থান প্রদানের জন্য ছিদ্রযুক্ত কাঠামো আরও উন্নত করা প্রয়োজন।

৩ উপসংহার

সিলিকন-ভিত্তিক নেতিবাচক ইলেকট্রোড উপকরণের আয়তন সম্প্রসারণ, দুর্বল পরিবাহিতা এবং দুর্বল ইন্টারফেস স্থিতিশীলতার উপর ভিত্তি করে, এই গবেষণাপত্রটি সিলিকন ন্যানোশিটের রূপবিদ্যার আকার, ছিদ্রযুক্ত কাঠামো নির্মাণ, পরিবাহী নেটওয়ার্ক নির্মাণ এবং সমগ্র গৌণ কণার সম্পূর্ণ কার্বন আবরণ থেকে শুরু করে লক্ষ্যবস্তু উন্নতি সাধন করে, যাতে সিলিকন-ভিত্তিক নেতিবাচক ইলেকট্রোড উপকরণের স্থিতিশীলতা উন্নত হয়। সিলিকন ন্যানোশিট জমা হলে একটি ছিদ্রযুক্ত কাঠামো তৈরি হতে পারে। CNT প্রবর্তন একটি ছিদ্রযুক্ত কাঠামো গঠনকে আরও উৎসাহিত করবে। তরল ফেজ আবরণ দ্বারা প্রস্তুত সিলিকন-কার্বন যৌগিক উপাদানের কঠিন ফেজ আবরণ দ্বারা প্রস্তুত উপাদানের তুলনায় দ্বিগুণ কার্বন আবরণ প্রভাব রয়েছে এবং উচ্চতর নির্দিষ্ট ক্ষমতা এবং প্রথম দক্ষতা প্রদর্শন করে। এছাড়াও, CNT ধারণকারী সিলিকন-কার্বন যৌগিক উপাদানের প্রথম দক্ষতা CNT ছাড়া উপাদানের তুলনায় বেশি, যা মূলত সিলিকন-ভিত্তিক উপকরণের আয়তন সম্প্রসারণকে উপশম করার জন্য ছিদ্রযুক্ত কাঠামোর উচ্চতর ডিগ্রির ক্ষমতার কারণে। CNT প্রবর্তন একটি ত্রিমাত্রিক পরিবাহী নেটওয়ার্ক তৈরি করবে, সিলিকন-ভিত্তিক উপকরণের পরিবাহিতা উন্নত করবে এবং 1C এ ভাল হারের কর্মক্ষমতা প্রদর্শন করবে; এবং উপাদানটি ভাল চক্র কর্মক্ষমতা প্রদর্শন করবে। তবে, সিলিকনের আয়তন প্রসারণের জন্য পর্যাপ্ত বাফার স্পেস প্রদানের জন্য এবং একটি মসৃণ গঠনকে উৎসাহিত করার জন্য উপাদানের ছিদ্রযুক্ত কাঠামো আরও শক্তিশালী করা প্রয়োজন।এবং ঘন SEI ফিল্ম যা সিলিকন-কার্বন যৌগিক উপাদানের চক্র কর্মক্ষমতা আরও উন্নত করে।

আমরা উচ্চ-বিশুদ্ধতা সম্পন্ন গ্রাফাইট এবং সিলিকন কার্বাইড পণ্য সরবরাহ করি, যা জারণ, প্রসারণ এবং অ্যানিলিংয়ের মতো ওয়েফার প্রক্রিয়াকরণে ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হয়।

আরও আলোচনার জন্য আমাদের সাথে দেখা করতে বিশ্বজুড়ে যেকোনো গ্রাহককে স্বাগতম!

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