છિદ્રાળુ સિલિકોન કાર્બન કમ્પોઝિટ મટિરિયલ્સની તૈયારી અને કામગીરીમાં સુધારો

લિથિયમ-આયન બેટરી મુખ્યત્વે ઉચ્ચ ઉર્જા ઘનતાની દિશામાં વિકાસ પામી રહી છે. ઓરડાના તાપમાને, સિલિકોન-આધારિત નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ સામગ્રી લિથિયમ સાથે મિશ્રિત થાય છે જેથી લિથિયમ-સમૃદ્ધ ઉત્પાદન Li3.75Si તબક્કો ઉત્પન્ન થાય, જેની ચોક્કસ ક્ષમતા 3572 mAh/g સુધી હોય, જે ગ્રેફાઇટ નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ 372 mAh/g ની સૈદ્ધાંતિક વિશિષ્ટ ક્ષમતા કરતા ઘણી વધારે છે. જો કે, સિલિકોન-આધારિત નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ સામગ્રીના વારંવાર ચાર્જિંગ અને ડિસ્ચાર્જિંગ પ્રક્રિયા દરમિયાન, Si અને Li3.75Si નું તબક્કા પરિવર્તન વિશાળ વોલ્યુમ વિસ્તરણ (લગભગ 300%) ઉત્પન્ન કરી શકે છે, જે ઇલેક્ટ્રોડ સામગ્રીના માળખાકીય પાવડરિંગ અને SEI ફિલ્મની સતત રચના તરફ દોરી જશે, અને અંતે ક્ષમતામાં ઝડપથી ઘટાડો થશે. ઉદ્યોગ મુખ્યત્વે નેનો-સાઇઝિંગ, કાર્બન કોટિંગ, છિદ્ર રચના અને અન્ય તકનીકો દ્વારા સિલિકોન-આધારિત નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ સામગ્રીના પ્રદર્શન અને સિલિકોન-આધારિત બેટરીની સ્થિરતામાં સુધારો કરે છે.

કાર્બન સામગ્રીમાં સારી વાહકતા, ઓછી કિંમત અને વિશાળ સ્ત્રોત હોય છે. તેઓ સિલિકોન-આધારિત સામગ્રીની વાહકતા અને સપાટી સ્થિરતામાં સુધારો કરી શકે છે. સિલિકોન-આધારિત નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ્સ માટે પ્રદર્શન સુધારણા ઉમેરણો તરીકે તેનો ઉપયોગ પ્રાધાન્યમાં થાય છે. સિલિકોન-કાર્બન સામગ્રી સિલિકોન-આધારિત નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ્સની મુખ્ય પ્રવાહની વિકાસ દિશા છે. કાર્બન કોટિંગ સિલિકોન-આધારિત સામગ્રીની સપાટી સ્થિરતામાં સુધારો કરી શકે છે, પરંતુ સિલિકોન વોલ્યુમ વિસ્તરણને અટકાવવાની તેની ક્ષમતા સામાન્ય છે અને સિલિકોન વોલ્યુમ વિસ્તરણની સમસ્યાને હલ કરી શકતી નથી. તેથી, સિલિકોન-આધારિત સામગ્રીની સ્થિરતા સુધારવા માટે, છિદ્રાળુ માળખાં બનાવવાની જરૂર છે. બોલ મિલિંગ એ નેનોમટીરિયલ્સ તૈયાર કરવા માટે એક ઔદ્યોગિક પદ્ધતિ છે. સંયુક્ત સામગ્રીની ડિઝાઇન આવશ્યકતાઓ અનુસાર બોલ મિલિંગ દ્વારા મેળવેલા સ્લરીમાં વિવિધ ઉમેરણો અથવા સામગ્રી ઘટકો ઉમેરી શકાય છે. સ્લરી વિવિધ સ્લરી દ્વારા સમાનરૂપે વિખેરાઈ જાય છે અને સ્પ્રે-ડ્રાય થાય છે. તાત્કાલિક સૂકવણી પ્રક્રિયા દરમિયાન, સ્લરીમાં નેનોપાર્ટિકલ્સ અને અન્ય ઘટકો સ્વયંભૂ છિદ્રાળુ માળખાકીય લાક્ષણિકતાઓ બનાવશે. આ પેપર છિદ્રાળુ સિલિકોન-આધારિત સામગ્રી તૈયાર કરવા માટે ઔદ્યોગિક અને પર્યાવરણને અનુકૂળ બોલ મિલિંગ અને સ્પ્રે ડ્રાયિંગ ટેકનોલોજીનો ઉપયોગ કરે છે.

સિલિકોન-આધારિત સામગ્રીનું પ્રદર્શન સિલિકોન નેનોમટીરિયલ્સની મોર્ફોલોજી અને વિતરણ લાક્ષણિકતાઓને નિયંત્રિત કરીને પણ સુધારી શકાય છે. હાલમાં, વિવિધ મોર્ફોલોજી અને વિતરણ લાક્ષણિકતાઓ સાથે સિલિકોન-આધારિત સામગ્રી તૈયાર કરવામાં આવી છે, જેમ કે સિલિકોન નેનોરોડ્સ, છિદ્રાળુ ગ્રેફાઇટ એમ્બેડેડ નેનોસિલિકોન, કાર્બન ગોળામાં વિતરિત નેનોસિલિકોન, સિલિકોન/ગ્રાફીન એરે છિદ્રાળુ માળખાં, વગેરે. નેનોપાર્ટિકલ્સ સાથે સરખામણીમાં, નેનોશીટ્સ વોલ્યુમ વિસ્તરણને કારણે થતી ક્રશિંગ સમસ્યાને વધુ સારી રીતે દબાવી શકે છે, અને સામગ્રીમાં વધુ કોમ્પેક્શન ઘનતા હોય છે. નેનોશીટ્સનું અવ્યવસ્થિત સ્ટેકીંગ છિદ્રાળુ માળખું પણ બનાવી શકે છે. સિલિકોન નેગેટિવ ઇલેક્ટ્રોડ એક્સચેન્જ જૂથમાં જોડાવા માટે. સિલિકોન સામગ્રીના વોલ્યુમ વિસ્તરણ માટે બફર સ્પેસ પ્રદાન કરો. કાર્બન નેનોટ્યુબ્સ (CNTs) ની રજૂઆત માત્ર સામગ્રીની વાહકતામાં સુધારો કરી શકતી નથી, પરંતુ તેની એક-પરિમાણીય મોર્ફોલોજીકલ લાક્ષણિકતાઓને કારણે સામગ્રીના છિદ્રાળુ માળખાંના નિર્માણને પણ પ્રોત્સાહન આપે છે. સિલિકોન નેનોશીટ્સ અને CNTs દ્વારા બાંધવામાં આવેલા છિદ્રાળુ માળખાં પર કોઈ અહેવાલો નથી. આ પેપર ઔદ્યોગિક રીતે લાગુ પડતા બોલ મિલિંગ, ગ્રાઇન્ડીંગ અને ડિસ્પરઝન, સ્પ્રે ડ્રાયિંગ, કાર્બન પ્રી-કોટિંગ અને કેલ્સિનેશન પદ્ધતિઓ અપનાવે છે, અને સિલિકોન નેનોશીટ્સ અને CNTs ના સ્વ-એસેમ્બલી દ્વારા રચાયેલ છિદ્રાળુ સિલિકોન-આધારિત નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ સામગ્રી તૈયાર કરવા માટે તૈયારી પ્રક્રિયામાં છિદ્રાળુ પ્રમોટરોનો પરિચય આપે છે. તૈયારી પ્રક્રિયા સરળ, પર્યાવરણને અનુકૂળ છે, અને કોઈ કચરો પ્રવાહી અથવા કચરો અવશેષ ઉત્પન્ન થતો નથી. સિલિકોન-આધારિત સામગ્રીના કાર્બન કોટિંગ પર ઘણા સાહિત્ય અહેવાલો છે, પરંતુ કોટિંગની અસર પર થોડી ઊંડાણપૂર્વક ચર્ચાઓ છે. આ પેપર બે કાર્બન કોટિંગ પદ્ધતિઓ, પ્રવાહી તબક્કા કોટિંગ અને ઘન તબક્કા કોટિંગ, કોટિંગ અસર અને સિલિકોન-આધારિત નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ સામગ્રીના પ્રદર્શન પર થતી અસરોની તપાસ કરવા માટે કાર્બન સ્ત્રોત તરીકે ડામરનો ઉપયોગ કરે છે.

૧ પ્રયોગ

૧.૧ સામગ્રીની તૈયારી

છિદ્રાળુ સિલિકોન-કાર્બન સંયુક્ત સામગ્રીની તૈયારીમાં મુખ્યત્વે પાંચ પગલાં શામેલ છે: બોલ મિલિંગ, ગ્રાઇન્ડીંગ અને ડિસ્પરઝન, સ્પ્રે ડ્રાયિંગ, કાર્બન પ્રી-કોટિંગ અને કાર્બોનાઇઝેશન. પ્રથમ, 500 ગ્રામ પ્રારંભિક સિલિકોન પાવડર (ઘરેલું, 99.99% શુદ્ધતા) નું વજન કરો, 2000 ગ્રામ આઇસોપ્રોપેનોલ ઉમેરો, અને નેનો-સ્કેલ સિલિકોન સ્લરી મેળવવા માટે 24 કલાક માટે 2000 આર/મિનિટની બોલ મિલિંગ ઝડપે ભીનું બોલ મિલિંગ કરો. પ્રાપ્ત સિલિકોન સ્લરી ડિસ્પરઝન ટ્રાન્સફર ટાંકીમાં સ્થાનાંતરિત થાય છે, અને સામગ્રી સિલિકોનના માસ રેશિયો અનુસાર ઉમેરવામાં આવે છે: ગ્રેફાઇટ (શાંઘાઈમાં ઉત્પાદિત, બેટરી ગ્રેડ): કાર્બન નેનોટ્યુબ્સ (ટિઆનજિનમાં ઉત્પાદિત, બેટરી ગ્રેડ): પોલીવિનાઇલ પાયરોલિડોન (ટિઆનજિનમાં ઉત્પાદિત, વિશ્લેષણાત્મક ગ્રેડ) = 40:60:1.5:2. આઇસોપ્રોપેનોલનો ઉપયોગ ઘન સામગ્રીને સમાયોજિત કરવા માટે થાય છે, અને ઘન સામગ્રી 15% માટે ડિઝાઇન કરવામાં આવી છે. ગ્રાઇન્ડીંગ અને ડિસ્પરઝન 4 કલાક માટે 3500 આર/મિનિટની વિક્ષેપ ઝડપે કરવામાં આવે છે. CNT ઉમેર્યા વિના સ્લરીનો બીજો જૂથ સરખામણી કરવામાં આવે છે, અને અન્ય સામગ્રી સમાન હોય છે. પછી મેળવેલ વિખરાયેલા સ્લરીને સ્પ્રે ડ્રાયિંગ ફીડિંગ ટાંકીમાં સ્થાનાંતરિત કરવામાં આવે છે, અને સ્પ્રે ડ્રાયિંગ નાઇટ્રોજન-સંરક્ષિત વાતાવરણમાં કરવામાં આવે છે, જેમાં ઇનલેટ અને આઉટલેટ તાપમાન અનુક્રમે 180 અને 90 °C હોય છે. પછી બે પ્રકારના કાર્બન કોટિંગની તુલના કરવામાં આવી, સોલિડ ફેઝ કોટિંગ અને લિક્વિડ ફેઝ કોટિંગ. સોલિડ ફેઝ કોટિંગ પદ્ધતિ છે: સ્પ્રે-ડ્રાય પાવડરને 20% ડામર પાવડર (કોરિયામાં બનાવેલ, D50 5 μm છે) સાથે મિશ્રિત કરવામાં આવે છે, 10 મિનિટ માટે મિકેનિકલ મિક્સરમાં મિશ્રિત કરવામાં આવે છે, અને પ્રી-કોટેડ પાવડર મેળવવા માટે મિશ્રણની ગતિ 2000 r/min છે. લિક્વિડ ફેઝ કોટિંગ પદ્ધતિ છે: સ્પ્રે-ડ્રાય પાવડરને ઝાયલીન દ્રાવણ (ટિયાનજિનમાં બનાવેલ, વિશ્લેષણાત્મક ગ્રેડ) માં ઉમેરવામાં આવે છે જેમાં 20% ડામર પાવડરમાં 55% ઘન સામગ્રી પર ઓગળવામાં આવે છે, અને વેક્યુમ સમાનરૂપે હલાવવામાં આવે છે. વેક્યુમ ઓવનમાં 85℃ તાપમાને 4 કલાક માટે બેક કરો, મિશ્રણ માટે મિકેનિકલ મિક્સરમાં મૂકો, મિશ્રણની ગતિ 2000 r/મિનિટ છે, અને પ્રી-કોટેડ પાવડર મેળવવા માટે મિશ્રણનો સમય 10 મિનિટ છે. અંતે, પ્રી-કોટેડ પાવડરને રોટરી ભઠ્ઠામાં નાઇટ્રોજન વાતાવરણ હેઠળ 5°C/મિનિટના ગરમીના દરે કેલ્સાઈન કરવામાં આવ્યો. તેને પહેલા 2 કલાક માટે 550°C ના સ્થિર તાપમાને રાખવામાં આવ્યું, પછી 800°C સુધી ગરમ થવાનું ચાલુ રાખ્યું અને 2 કલાક માટે સતત તાપમાને રાખવામાં આવ્યું, અને પછી કુદરતી રીતે 100°C થી નીચે ઠંડુ કરીને સિલિકોન-કાર્બન સંયુક્ત સામગ્રી મેળવવા માટે છોડવામાં આવ્યું.

૧.૨ લાક્ષણિકતા પદ્ધતિઓ

કણ કદ પરીક્ષણ કરનાર (માસ્ટરસાઇઝર 2000 સંસ્કરણ, યુકેમાં બનાવેલ) નો ઉપયોગ કરીને સામગ્રીના કણ કદ વિતરણનું વિશ્લેષણ કરવામાં આવ્યું. દરેક પગલામાં મેળવેલા પાવડરનું ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપી (રેગ્યુલસ 8220, જાપાનમાં બનાવેલ) સ્કેન કરીને પરીક્ષણ કરવામાં આવ્યું જેથી પાવડરના આકારવિજ્ઞાન અને કદનું પરીક્ષણ કરી શકાય. સામગ્રીના તબક્કા માળખાનું વિશ્લેષણ એક્સ-રે પાવડર વિવર્તન વિશ્લેષક (D8 ADVANCE, જર્મનીમાં બનાવેલ) નો ઉપયોગ કરીને કરવામાં આવ્યું હતું, અને સામગ્રીની મૂળભૂત રચનાનું વિશ્લેષણ ઊર્જા સ્પેક્ટ્રમ વિશ્લેષકનો ઉપયોગ કરીને કરવામાં આવ્યું હતું. મેળવેલ સિલિકોન-કાર્બન સંયુક્ત સામગ્રીનો ઉપયોગ મોડેલ CR2032 ના બટન હાફ-સેલ બનાવવા માટે કરવામાં આવ્યો હતો, અને સિલિકોન-કાર્બન: SP: CNT: CMC: SBR નો સમૂહ ગુણોત્તર 92:2:2:1.5:2.5 હતો. કાઉન્ટર ઇલેક્ટ્રોડ એક ધાતુની લિથિયમ શીટ છે, ઇલેક્ટ્રોલાઇટ એક વ્યાપારી ઇલેક્ટ્રોલાઇટ છે (મોડેલ 1901, કોરિયામાં બનેલ), સેલ્ગાર્ડ 2320 ડાયાફ્રેમનો ઉપયોગ થાય છે, ચાર્જ અને ડિસ્ચાર્જ વોલ્ટેજ રેન્જ 0.005-1.5 V છે, ચાર્જ અને ડિસ્ચાર્જ કરંટ 0.1 C (1C = 1A) છે, અને ડિસ્ચાર્જ કટ-ઓફ કરંટ 0.05 C છે.

સિલિકોન-કાર્બન કમ્પોઝિટ મટિરિયલ્સની કામગીરીની વધુ તપાસ કરવા માટે, લેમિનેટેડ નાની સોફ્ટ-પેક બેટરી 408595 બનાવવામાં આવી હતી. પોઝિટિવ ઇલેક્ટ્રોડ NCM811 (હુનાનમાં બનેલ, બેટરી ગ્રેડ) નો ઉપયોગ કરે છે, અને નેગેટિવ ઇલેક્ટ્રોડ ગ્રેફાઇટ 8% સિલિકોન-કાર્બન મટિરિયલથી ભરેલું છે. પોઝિટિવ ઇલેક્ટ્રોડ સ્લરી ફોર્મ્યુલા 96% NCM811, 1.2% પોલીવિનાઇલિડેન ફ્લોરાઇડ (PVDF), 2% વાહક એજન્ટ SP, 0.8% CNT છે, અને NMPનો ઉપયોગ ડિસ્પર્સન્ટ તરીકે થાય છે; નેગેટિવ ઇલેક્ટ્રોડ સ્લરી ફોર્મ્યુલા 96% કમ્પોઝિટ નેગેટિવ ઇલેક્ટ્રોડ મટિરિયલ, 1.3% CMC, 1.5% SBR 1.2% CNT છે, અને પાણીનો ઉપયોગ ડિસ્પર્સન્ટ તરીકે થાય છે. હલાવતા, કોટિંગ, રોલિંગ, કટીંગ, લેમિનેશન, ટેબ વેલ્ડીંગ, પેકેજિંગ, બેકિંગ, લિક્વિડ ઇન્જેક્શન, ફોર્મેશન અને કેપેસિટી ડિવિઝન પછી, 3 Ah ની રેટેડ ક્ષમતાવાળી 408595 લેમિનેટેડ નાની સોફ્ટ પેક બેટરી તૈયાર કરવામાં આવી હતી. 0.2C, 0.5C, 1C, 2C અને 3C ના દર પ્રદર્શન અને 0.5C ચાર્જ અને 1C ડિસ્ચાર્જના ચક્ર પ્રદર્શનનું પરીક્ષણ કરવામાં આવ્યું હતું. ચાર્જ અને ડિસ્ચાર્જ વોલ્ટેજ શ્રેણી 2.8-4.2 V હતી, સતત પ્રવાહ અને સતત વોલ્ટેજ ચાર્જિંગ, અને કટ-ઓફ પ્રવાહ 0.5C હતો.

૨ પરિણામો અને ચર્ચા

ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપી (SEM) સ્કેન કરીને પ્રારંભિક સિલિકોન પાવડરનું અવલોકન કરવામાં આવ્યું. આકૃતિ 1(a) માં બતાવ્યા પ્રમાણે, સિલિકોન પાવડર અનિયમિત રીતે દાણાદાર હતો અને તેનું કણ કદ 2μm કરતા ઓછું હતું. બોલ મિલિંગ પછી, સિલિકોન પાવડરનું કદ નોંધપાત્ર રીતે ઘટાડીને લગભગ 100 nm [આકૃતિ 1(b)] કરવામાં આવ્યું હતું. કણ કદ પરીક્ષણ દર્શાવે છે કે બોલ મિલિંગ પછી સિલિકોન પાવડરનો D50 110 nm અને D90 175 nm હતો. બોલ મિલિંગ પછી સિલિકોન પાવડરના મોર્ફોલોજીની કાળજીપૂર્વક તપાસ કરવાથી ફ્લેકી માળખું દેખાય છે (ફ્લેકી માળખાની રચના પછીથી ક્રોસ-સેક્શનલ SEM દ્વારા વધુ ચકાસવામાં આવશે). તેથી, કણ કદ પરીક્ષણમાંથી મેળવેલ D90 ડેટા નેનોશીટનું લંબાઈ પરિમાણ હોવું જોઈએ. SEM પરિણામો સાથે જોડીને, એવું નક્કી કરી શકાય છે કે પ્રાપ્ત નેનોશીટનું કદ ઓછામાં ઓછા એક પરિમાણમાં ચાર્જિંગ અને ડિસ્ચાર્જિંગ દરમિયાન સિલિકોન પાવડરના ભંગાણના 150 nm ના નિર્ણાયક મૂલ્ય કરતા નાનું છે. ફ્લેકી મોર્ફોલોજીનું નિર્માણ મુખ્યત્વે સ્ફટિકીય સિલિકોનના સ્ફટિક સમતલોની વિવિધ વિયોજન ઊર્જાને કારણે થાય છે, જેમાંથી સિલિકોનના {111} સમતલમાં {100} અને {110} સ્ફટિક સમતલ કરતાં ઓછી વિયોજન ઊર્જા હોય છે. તેથી, આ સ્ફટિક સમતલ બોલ મિલિંગ દ્વારા વધુ સરળતાથી પાતળું થાય છે, અને અંતે ફ્લેકી માળખું બનાવે છે. ફ્લેકી માળખું છૂટક માળખાના સંચય માટે અનુકૂળ છે, સિલિકોનના વોલ્યુમ વિસ્તરણ માટે જગ્યા અનામત રાખે છે, અને સામગ્રીની સ્થિરતામાં સુધારો કરે છે.

નેનો-સિલિકોન, CNT અને ગ્રેફાઇટ ધરાવતી સ્લરીનો છંટકાવ કરવામાં આવ્યો હતો, અને છંટકાવ પહેલાં અને પછી પાવડરની SEM દ્વારા તપાસ કરવામાં આવી હતી. પરિણામો આકૃતિ 2 માં દર્શાવેલ છે. છંટકાવ પહેલાં ઉમેરવામાં આવેલ ગ્રેફાઇટ મેટ્રિક્સ 5 થી 20 μm [આકૃતિ 2(a)] ના કદ સાથે એક લાક્ષણિક ફ્લેક માળખું છે. ગ્રેફાઇટના કણ કદ વિતરણ પરીક્ષણ દર્શાવે છે કે D50 15μm છે. છંટકાવ પછી મેળવેલ પાવડરમાં ગોળાકાર આકારવિજ્ઞાન [આકૃતિ 2(b)] છે, અને તે જોઈ શકાય છે કે છંટકાવ પછી ગ્રેફાઇટ કોટિંગ સ્તર દ્વારા કોટેડ છે. છંટકાવ પછી પાવડરનો D50 26.2 μm છે. SEM દ્વારા ગૌણ કણોની મોર્ફોલોજિકલ લાક્ષણિકતાઓ અવલોકન કરવામાં આવી હતી, જે નેનોમટીરિયલ્સ દ્વારા સંચિત છૂટક છિદ્રાળુ માળખાની લાક્ષણિકતાઓ દર્શાવે છે [આકૃતિ 2(c)]. છિદ્રાળુ માળખું સિલિકોન નેનોશીટ્સ અને CNTs થી બનેલું છે જે એકબીજા સાથે ગૂંથાયેલું છે [આકૃતિ 2(d)], અને પરીક્ષણ ચોક્કસ સપાટી વિસ્તાર (BET) 53.3 m2/g જેટલું ઊંચું છે. તેથી, છંટકાવ કર્યા પછી, સિલિકોન નેનોશીટ્સ અને CNTs છિદ્રાળુ માળખું બનાવવા માટે સ્વ-ભેગા થાય છે.

છિદ્રાળુ સ્તરને પ્રવાહી કાર્બન કોટિંગથી સારવાર આપવામાં આવી હતી, અને કાર્બન કોટિંગ પૂર્વગામી પિચ અને કાર્બોનાઇઝેશન ઉમેર્યા પછી, SEM અવલોકન હાથ ધરવામાં આવ્યું હતું. પરિણામો આકૃતિ 3 માં દર્શાવવામાં આવ્યા છે. કાર્બન પ્રી-કોટિંગ પછી, ગૌણ કણોની સપાટી સરળ બને છે, જેમાં સ્પષ્ટ કોટિંગ સ્તર હોય છે, અને કોટિંગ પૂર્ણ થાય છે, જેમ કે આકૃતિ 3(a) અને (b) માં બતાવ્યા પ્રમાણે. કાર્બોનાઇઝેશન પછી, સપાટી કોટિંગ સ્તર સારી કોટિંગ સ્થિતિ જાળવી રાખે છે [આકૃતિ 3(c)]. વધુમાં, ક્રોસ-સેક્શનલ SEM છબી સ્ટ્રીપ-આકારના નેનોપાર્ટિકલ્સ [આકૃતિ 3(d)] દર્શાવે છે, જે નેનોશીટ્સની મોર્ફોલોજિકલ લાક્ષણિકતાઓને અનુરૂપ છે, જે બોલ મિલિંગ પછી સિલિકોન નેનોશીટ્સની રચનાને વધુ ચકાસે છે. વધુમાં, આકૃતિ 3(d) દર્શાવે છે કે કેટલીક નેનોશીટ્સ વચ્ચે ફિલર્સ છે. આ મુખ્યત્વે પ્રવાહી તબક્કા કોટિંગ પદ્ધતિના ઉપયોગને કારણે છે. ડામર દ્રાવણ સામગ્રીમાં પ્રવેશ કરશે, જેથી આંતરિક સિલિકોન નેનોશીટ્સની સપાટી કાર્બન કોટિંગ રક્ષણાત્મક સ્તર મેળવે. તેથી, લિક્વિડ ફેઝ કોટિંગનો ઉપયોગ કરીને, સેકન્ડરી પાર્ટિકલ કોટિંગ ઇફેક્ટ મેળવવા ઉપરાંત, પ્રાઇમરી પાર્ટિકલ કોટિંગની ડબલ કાર્બન કોટિંગ ઇફેક્ટ પણ મેળવી શકાય છે. કાર્બોનાઇઝ્ડ પાવડરનું BET દ્વારા પરીક્ષણ કરવામાં આવ્યું હતું, અને પરીક્ષણ પરિણામ 22.3 m2/g હતું.

કાર્બનાઇઝ્ડ પાવડરને ક્રોસ-સેક્શનલ એનર્જી સ્પેક્ટ્રમ વિશ્લેષણ (EDS) ને આધિન કરવામાં આવ્યું હતું, અને પરિણામો આકૃતિ 4(a) માં દર્શાવવામાં આવ્યા છે. માઇક્રોન-કદના કોરમાં C ઘટક છે, જે ગ્રેફાઇટ મેટ્રિક્સને અનુરૂપ છે, અને બાહ્ય આવરણમાં સિલિકોન અને ઓક્સિજન છે. સિલિકોનની રચનાની વધુ તપાસ કરવા માટે, એક્સ-રે ડિફ્રેક્શન (XRD) પરીક્ષણ કરવામાં આવ્યું હતું, અને પરિણામો આકૃતિ 4(b) માં દર્શાવવામાં આવ્યા છે. સામગ્રી મુખ્યત્વે ગ્રેફાઇટ અને સિંગલ-ક્રિસ્ટલ સિલિકોનથી બનેલી છે, જેમાં કોઈ સ્પષ્ટ સિલિકોન ઓક્સાઇડ લાક્ષણિકતાઓ નથી, જે દર્શાવે છે કે ઊર્જા સ્પેક્ટ્રમ પરીક્ષણનો ઓક્સિજન ઘટક મુખ્યત્વે સિલિકોન સપાટીના કુદરતી ઓક્સિડેશનમાંથી આવે છે. સિલિકોન-કાર્બન સંયુક્ત સામગ્રી S1 તરીકે રેકોર્ડ કરવામાં આવી છે.

તૈયાર કરાયેલ સિલિકોન-કાર્બન સામગ્રી S1 ને બટન-પ્રકારના અર્ધ-કોષ ઉત્પાદન અને ચાર્જ-ડિસ્ચાર્જ પરીક્ષણોમાંથી પસાર કરવામાં આવ્યા હતા. પ્રથમ ચાર્જ-ડિસ્ચાર્જ વળાંક આકૃતિ 5 માં બતાવવામાં આવ્યો છે. ઉલટાવી શકાય તેવી ચોક્કસ ક્ષમતા 1000.8 mAh/g છે, અને પ્રથમ ચક્ર કાર્યક્ષમતા 93.9% જેટલી ઊંચી છે, જે સાહિત્યમાં નોંધાયેલા પ્રી-લિથિયેશન વિના મોટાભાગના સિલિકોન-આધારિત સામગ્રીની પ્રથમ કાર્યક્ષમતા કરતા વધારે છે. ઉચ્ચ પ્રથમ કાર્યક્ષમતા સૂચવે છે કે તૈયાર કરાયેલ સિલિકોન-કાર્બન સંયુક્ત સામગ્રીમાં ઉચ્ચ સ્થિરતા છે. સિલિકોન-કાર્બન સામગ્રીની સ્થિરતા પર છિદ્રાળુ માળખું, વાહક નેટવર્ક અને કાર્બન કોટિંગની અસરો ચકાસવા માટે, CNT ઉમેર્યા વિના અને પ્રાથમિક કાર્બન કોટિંગ વિના બે પ્રકારના સિલિકોન-કાર્બન સામગ્રી તૈયાર કરવામાં આવી હતી.

CNT ઉમેર્યા વિના સિલિકોન-કાર્બન સંયુક્ત સામગ્રીના કાર્બનાઇઝ્ડ પાવડરનું આકારવિજ્ઞાન આકૃતિ 6 માં બતાવવામાં આવ્યું છે. પ્રવાહી તબક્કાના કોટિંગ અને કાર્બોનાઇઝેશન પછી, આકૃતિ 6(a) માં ગૌણ કણોની સપાટી પર એક કોટિંગ સ્તર સ્પષ્ટ રીતે જોઈ શકાય છે. કાર્બનાઇઝ્ડ સામગ્રીનો ક્રોસ-સેક્શનલ SEM આકૃતિ 6(b) માં બતાવવામાં આવ્યો છે. સિલિકોન નેનોશીટ્સના સ્ટેકીંગમાં છિદ્રાળુ લાક્ષણિકતાઓ છે, અને BET પરીક્ષણ 16.6 m2/g છે. જો કે, CNT સાથેના કેસની તુલનામાં [આકૃતિ 3(d) માં બતાવ્યા પ્રમાણે, તેના કાર્બનાઇઝ્ડ પાવડરનો BET પરીક્ષણ 22.3 m2/g છે], આંતરિક નેનો-સિલિકોન સ્ટેકીંગ ઘનતા વધારે છે, જે દર્શાવે છે કે CNT નો ઉમેરો છિદ્રાળુ માળખાના નિર્માણને પ્રોત્સાહન આપી શકે છે. વધુમાં, સામગ્રીમાં CNT દ્વારા બનાવેલ ત્રિ-પરિમાણીય વાહક નેટવર્ક નથી. સિલિકોન-કાર્બન સંયુક્ત સામગ્રી S2 તરીકે રેકોર્ડ કરવામાં આવી છે.

સોલિડ-ફેઝ કાર્બન કોટિંગ દ્વારા તૈયાર કરાયેલ સિલિકોન-કાર્બન કમ્પોઝિટ મટિરિયલની મોર્ફોલોજિકલ લાક્ષણિકતાઓ આકૃતિ 7 માં બતાવવામાં આવી છે. કાર્બોનાઇઝેશન પછી, સપાટી પર એક સ્પષ્ટ કોટિંગ સ્તર છે, જેમ કે આકૃતિ 7(a) માં દર્શાવવામાં આવ્યું છે. આકૃતિ 7(b) દર્શાવે છે કે ક્રોસ સેક્શનમાં સ્ટ્રીપ-આકારના નેનોપાર્ટિકલ્સ છે, જે નેનોશીટ્સની મોર્ફોલોજિકલ લાક્ષણિકતાઓને અનુરૂપ છે. નેનોશીટ્સનું સંચય છિદ્રાળુ માળખું બનાવે છે. આંતરિક નેનોશીટ્સની સપાટી પર કોઈ સ્પષ્ટ ફિલર નથી, જે દર્શાવે છે કે સોલિડ-ફેઝ કાર્બન કોટિંગ ફક્ત છિદ્રાળુ માળખું ધરાવતું કાર્બન કોટિંગ સ્તર બનાવે છે, અને સિલિકોન નેનોશીટ્સ માટે કોઈ આંતરિક કોટિંગ સ્તર નથી. આ સિલિકોન-કાર્બન કમ્પોઝિટ મટિરિયલ S3 તરીકે રેકોર્ડ કરવામાં આવ્યું છે.

બટન-પ્રકારનો હાફ-સેલ ચાર્જ અને ડિસ્ચાર્જ ટેસ્ટ S2 અને S3 પર હાથ ધરવામાં આવ્યો હતો. S2 ની ચોક્કસ ક્ષમતા અને પ્રથમ કાર્યક્ષમતા અનુક્રમે 1120.2 mAh/g અને 84.8% હતી, અને S3 ની ચોક્કસ ક્ષમતા અને પ્રથમ કાર્યક્ષમતા અનુક્રમે 882.5 mAh/g અને 82.9% હતી. સોલિડ-ફેઝ કોટેડ S3 નમૂનાની ચોક્કસ ક્ષમતા અને પ્રથમ કાર્યક્ષમતા સૌથી ઓછી હતી, જે દર્શાવે છે કે છિદ્રાળુ માળખાનું માત્ર કાર્બન કોટિંગ કરવામાં આવ્યું હતું, અને આંતરિક સિલિકોન નેનોશીટ્સનું કાર્બન કોટિંગ કરવામાં આવ્યું ન હતું, જે સિલિકોન-આધારિત સામગ્રીની ચોક્કસ ક્ષમતાને સંપૂર્ણ રમત આપી શક્યું ન હતું અને સિલિકોન-આધારિત સામગ્રીની સપાટીને સુરક્ષિત કરી શક્યું ન હતું. CNT વિના S2 નમૂનાની પ્રથમ કાર્યક્ષમતા CNT ધરાવતી સિલિકોન-કાર્બન સંયુક્ત સામગ્રી કરતા પણ ઓછી હતી, જે દર્શાવે છે કે સારા કોટિંગ સ્તરના આધારે, વાહક નેટવર્ક અને છિદ્રાળુ માળખું ઉચ્ચ ડિગ્રી સિલિકોન-કાર્બન સામગ્રીના ચાર્જ અને ડિસ્ચાર્જ કાર્યક્ષમતામાં સુધારો કરવા માટે અનુકૂળ છે.

S1 સિલિકોન-કાર્બન સામગ્રીનો ઉપયોગ રેટ પર્ફોર્મન્સ અને સાયકલ પર્ફોર્મન્સનું પરીક્ષણ કરવા માટે એક નાની સોફ્ટ-પેક ફુલ બેટરી બનાવવા માટે કરવામાં આવ્યો હતો. ડિસ્ચાર્જ રેટ કર્વ આકૃતિ 8(a) માં બતાવવામાં આવ્યો છે. 0.2C, 0.5C, 1C, 2C અને 3C ની ડિસ્ચાર્જ ક્ષમતા અનુક્રમે 2.970, 2.999, 2.920, 2.176 અને 1.021 Ah છે. 1C ડિસ્ચાર્જ રેટ 98.3% જેટલો ઊંચો છે, પરંતુ 2C ડિસ્ચાર્જ રેટ ઘટીને 73.3% થઈ જાય છે, અને 3C ડિસ્ચાર્જ રેટ વધુ ઘટીને 34.4% થઈ જાય છે. સિલિકોન નેગેટિવ ઇલેક્ટ્રોડ એક્સચેન્જ ગ્રુપમાં જોડાવા માટે, કૃપા કરીને WeChat: shimobang ઉમેરો. ચાર્જિંગ દરની દ્રષ્ટિએ, 0.2C, 0.5C, 1C, 2C અને 3C ચાર્જિંગ ક્ષમતા અનુક્રમે 3.186, 3.182, 3.081, 2.686 અને 2.289 Ah છે. 1C ચાર્જિંગ દર 96.7% છે, અને 2C ચાર્જિંગ દર હજુ પણ 84.3% સુધી પહોંચે છે. જો કે, આકૃતિ 8(b) માં ચાર્જિંગ વળાંકને જોતા, 2C ચાર્જિંગ પ્લેટફોર્મ 1C ચાર્જિંગ પ્લેટફોર્મ કરતા નોંધપાત્ર રીતે મોટું છે, અને તેની સતત વોલ્ટેજ ચાર્જિંગ ક્ષમતા મોટાભાગના (55%) માટે જવાબદાર છે, જે દર્શાવે છે કે 2C રિચાર્જેબલ બેટરીનું ધ્રુવીકરણ પહેલાથી જ ખૂબ મોટું છે. સિલિકોન-કાર્બન સામગ્રીમાં 1C પર સારું ચાર્જિંગ અને ડિસ્ચાર્જિંગ પ્રદર્શન છે, પરંતુ ઉચ્ચ દર પ્રદર્શન પ્રાપ્ત કરવા માટે સામગ્રીની માળખાકીય લાક્ષણિકતાઓમાં વધુ સુધારો કરવાની જરૂર છે. આકૃતિ 9 માં બતાવ્યા પ્રમાણે, 450 ચક્ર પછી, ક્ષમતા રીટેન્શન દર 78% છે, જે સારું ચક્ર પ્રદર્શન દર્શાવે છે.

ચક્ર પહેલા અને પછી ઇલેક્ટ્રોડની સપાટીની સ્થિતિ SEM દ્વારા તપાસવામાં આવી હતી, અને પરિણામો આકૃતિ 10 માં દર્શાવવામાં આવ્યા છે. ચક્ર પહેલા, ગ્રેફાઇટ અને સિલિકોન-કાર્બન સામગ્રીની સપાટી સ્પષ્ટ છે [આકૃતિ 10(a)]; ચક્ર પછી, સપાટી પર સ્પષ્ટપણે એક કોટિંગ સ્તર ઉત્પન્ન થાય છે [આકૃતિ 10(b)], જે એક જાડી SEI ફિલ્મ છે. SEI ફિલ્મ ખરબચડી સક્રિય લિથિયમ વપરાશ વધારે છે, જે ચક્ર પ્રદર્શન માટે અનુકૂળ નથી. તેથી, સરળ SEI ફિલ્મ (જેમ કે કૃત્રિમ SEI ફિલ્મ બાંધકામ, યોગ્ય ઇલેક્ટ્રોલાઇટ ઉમેરણો ઉમેરવા વગેરે) ની રચનાને પ્રોત્સાહન આપવાથી ચક્ર પ્રદર્શનમાં સુધારો થઈ શકે છે. ચક્ર પછી સિલિકોન-કાર્બન કણોનું ક્રોસ-સેક્શનલ SEM અવલોકન [આકૃતિ 10(c)] દર્શાવે છે કે મૂળ સ્ટ્રીપ-આકારના સિલિકોન નેનોપાર્ટિકલ્સ બરછટ બન્યા છે અને છિદ્રાળુ માળખું મૂળભૂત રીતે દૂર થઈ ગયું છે. આ મુખ્યત્વે ચક્ર દરમિયાન સિલિકોન-કાર્બન સામગ્રીના સતત વોલ્યુમ વિસ્તરણ અને સંકોચનને કારણે છે. તેથી, સિલિકોન-આધારિત સામગ્રીના વોલ્યુમ વિસ્તરણ માટે પૂરતી બફર જગ્યા પૂરી પાડવા માટે છિદ્રાળુ માળખું વધુ વધારવાની જરૂર છે.

૩ નિષ્કર્ષ

સિલિકોન-આધારિત નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ સામગ્રીના વોલ્યુમ વિસ્તરણ, નબળી વાહકતા અને નબળી ઇન્ટરફેસ સ્થિરતાના આધારે, આ પેપર સિલિકોન નેનોશીટ્સના મોર્ફોલોજી આકાર, છિદ્રાળુ માળખું બાંધકામ, વાહક નેટવર્ક બાંધકામ અને સમગ્ર ગૌણ કણોના સંપૂર્ણ કાર્બન કોટિંગથી લક્ષિત સુધારાઓ કરે છે, જેથી સિલિકોન-આધારિત નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ સામગ્રીની સ્થિરતામાં સુધારો થાય. સિલિકોન નેનોશીટ્સનું સંચય છિદ્રાળુ માળખું બનાવી શકે છે. CNT ની રજૂઆત છિદ્રાળુ માળખાના નિર્માણને વધુ પ્રોત્સાહન આપશે. પ્રવાહી તબક્કા કોટિંગ દ્વારા તૈયાર કરાયેલ સિલિકોન-કાર્બન સંયુક્ત સામગ્રીમાં સોલિડ તબક્કા કોટિંગ દ્વારા તૈયાર કરાયેલ સામગ્રી કરતાં ડબલ કાર્બન કોટિંગ અસર હોય છે, અને તે ઉચ્ચ ચોક્કસ ક્ષમતા અને પ્રથમ કાર્યક્ષમતા દર્શાવે છે. વધુમાં, CNT ધરાવતી સિલિકોન-કાર્બન સંયુક્ત સામગ્રીની પ્રથમ કાર્યક્ષમતા CNT વિના કરતા વધારે છે, જે મુખ્યત્વે સિલિકોન-આધારિત સામગ્રીના વોલ્યુમ વિસ્તરણને ઘટાડવા માટે છિદ્રાળુ માળખાની ઉચ્ચ ડિગ્રી ક્ષમતાને કારણે છે. CNT ની રજૂઆત ત્રિ-પરિમાણીય વાહક નેટવર્ક બનાવશે, સિલિકોન-આધારિત સામગ્રીની વાહકતામાં સુધારો કરશે અને 1C પર સારો દર પ્રદર્શન બતાવશે; અને સામગ્રી સારી ચક્ર કામગીરી દર્શાવે છે. જોકે, સિલિકોનના વોલ્યુમ વિસ્તરણ માટે પૂરતી બફર જગ્યા પૂરી પાડવા અને સરળ રચનાને પ્રોત્સાહન આપવા માટે સામગ્રીની છિદ્રાળુ રચનાને વધુ મજબૂત બનાવવાની જરૂર છે.અને સિલિકોન-કાર્બન સંયુક્ત સામગ્રીના ચક્ર પ્રદર્શનને વધુ સુધારવા માટે ગાઢ SEI ફિલ્મ.

અમે ઉચ્ચ-શુદ્ધતાવાળા ગ્રેફાઇટ અને સિલિકોન કાર્બાઇડ ઉત્પાદનો પણ પૂરા પાડીએ છીએ, જેનો વ્યાપકપણે ઓક્સિડેશન, પ્રસરણ અને એનેલિંગ જેવી વેફર પ્રોસેસિંગમાં ઉપયોગ થાય છે.

વધુ ચર્ચા માટે અમારી મુલાકાત લેવા માટે વિશ્વભરના કોઈપણ ગ્રાહકોનું સ્વાગત છે!

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