छिद्रयुक्त सिलिकॉन कार्बन मिश्रित सामग्रियों की तैयारी और प्रदर्शन में सुधार

लिथियम-आयन बैटरियों का विकास मुख्य रूप से उच्च ऊर्जा घनत्व की दिशा में हो रहा है। कमरे के तापमान पर, सिलिकॉन-आधारित ऋणात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री लिथियम के साथ मिश्रित होकर लिथियम-समृद्ध उत्पाद Li3.75Si चरण बनाती है, जिसकी विशिष्ट क्षमता 3572 mAh/g तक होती है, जो ग्रेफाइट ऋणात्मक इलेक्ट्रोड की सैद्धांतिक विशिष्ट क्षमता 372 mAh/g से कहीं अधिक है। हालांकि, सिलिकॉन-आधारित ऋणात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री के बार-बार चार्ज और डिस्चार्ज होने की प्रक्रिया के दौरान, Si और Li3.75Si के चरण परिवर्तन से भारी मात्रा में आयतन विस्तार (लगभग 300%) हो सकता है, जिससे इलेक्ट्रोड सामग्री का संरचनात्मक चूर्णीकरण और SEI फिल्म का निरंतर निर्माण होता है, और अंततः क्षमता में तेजी से गिरावट आती है। उद्योग मुख्य रूप से नैनो-साइज़िंग, कार्बन कोटिंग, छिद्र निर्माण और अन्य तकनीकों के माध्यम से सिलिकॉन-आधारित ऋणात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री के प्रदर्शन और सिलिकॉन-आधारित बैटरियों की स्थिरता में सुधार कर रहा है।

कार्बन पदार्थों में अच्छी चालकता, कम लागत और व्यापक उपलब्धता होती है। ये सिलिकॉन-आधारित पदार्थों की चालकता और सतह स्थिरता में सुधार कर सकते हैं। सिलिकॉन-आधारित ऋणात्मक इलेक्ट्रोडों के लिए प्रदर्शन सुधार योजकों के रूप में इनका विशेष रूप से उपयोग किया जाता है। सिलिकॉन-कार्बन पदार्थ सिलिकॉन-आधारित ऋणात्मक इलेक्ट्रोडों के विकास की प्रमुख दिशा हैं। कार्बन कोटिंग सिलिकॉन-आधारित पदार्थों की सतह स्थिरता में सुधार कर सकती है, लेकिन सिलिकॉन के आयतन विस्तार को रोकने की इसकी क्षमता सामान्य है और यह सिलिकॉन के आयतन विस्तार की समस्या का समाधान नहीं कर सकती। इसलिए, सिलिकॉन-आधारित पदार्थों की स्थिरता में सुधार के लिए छिद्रयुक्त संरचनाओं का निर्माण आवश्यक है। बॉल मिलिंग नैनोमटेरियल तैयार करने की एक औद्योगिक विधि है। मिश्रित पदार्थ की डिज़ाइन आवश्यकताओं के अनुसार बॉल मिलिंग से प्राप्त घोल में विभिन्न योजक या पदार्थ घटक मिलाए जा सकते हैं। घोल को विभिन्न घोलों के माध्यम से समान रूप से फैलाया जाता है और स्प्रे-ड्राइंग की जाती है। तात्कालिक सुखाने की प्रक्रिया के दौरान, घोल में मौजूद नैनोकण और अन्य घटक स्वतः ही छिद्रयुक्त संरचनात्मक विशेषताएँ बना लेते हैं। यह शोधपत्र छिद्रयुक्त सिलिकॉन-आधारित पदार्थों को तैयार करने के लिए औद्योगिक और पर्यावरण के अनुकूल बॉल मिलिंग और स्प्रे ड्राइंग तकनीक का उपयोग करता है।

सिलिकॉन नैनोमैटेरियल्स की आकृति और वितरण विशेषताओं को नियंत्रित करके सिलिकॉन-आधारित सामग्रियों के प्रदर्शन में सुधार किया जा सकता है। वर्तमान में, विभिन्न आकृतियों और वितरण विशेषताओं वाली सिलिकॉन-आधारित सामग्रियां तैयार की गई हैं, जैसे सिलिकॉन नैनोरॉड, छिद्रयुक्त ग्रेफाइट युक्त नैनोसिलिकॉन, कार्बन स्फीयर में वितरित नैनोसिलिकॉन, सिलिकॉन/ग्रेफीन सरणी छिद्रयुक्त संरचनाएं आदि। समान आकार पर, नैनोकणों की तुलना में, नैनोशीट आयतन विस्तार के कारण होने वाली टूटने की समस्या को बेहतर ढंग से कम कर सकती हैं, और सामग्री का संघनन घनत्व अधिक होता है। नैनोशीट की अव्यवस्थित स्टैकिंग से छिद्रयुक्त संरचना भी बन सकती है। सिलिकॉन ऋणात्मक इलेक्ट्रोड विनिमय समूह में शामिल होने के लिए, सिलिकॉन सामग्रियों के आयतन विस्तार के लिए एक बफर स्थान प्रदान किया जाता है। कार्बन नैनोट्यूब (सीएनटी) का समावेश न केवल सामग्री की चालकता में सुधार करता है, बल्कि इसकी एक-आयामी आकृति विशेषताओं के कारण सामग्री की छिद्रयुक्त संरचनाओं के निर्माण को भी बढ़ावा देता है। सिलिकॉन नैनोशीट और सीएनटी द्वारा निर्मित छिद्रयुक्त संरचनाओं पर कोई रिपोर्ट नहीं है। यह शोधपत्र औद्योगिक रूप से लागू होने वाली बॉल मिलिंग, ग्राइंडिंग और डिस्पर्शन, स्प्रे ड्राइंग, कार्बन प्री-कोटिंग और कैल्सीनेशन विधियों को अपनाता है, और सिलिकॉन नैनोशीट्स और सीएनटी के स्व-संयोजन द्वारा निर्मित छिद्रयुक्त सिलिकॉन-आधारित ऋणात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री तैयार करने के लिए तैयारी प्रक्रिया में छिद्रयुक्त प्रमोटरों का उपयोग करता है। तैयारी प्रक्रिया सरल, पर्यावरण के अनुकूल है, और इसमें कोई अपशिष्ट तरल या अपशिष्ट अवशेष उत्पन्न नहीं होता है। सिलिकॉन-आधारित सामग्रियों पर कार्बन कोटिंग के बारे में कई साहित्यिक रिपोर्टें हैं, लेकिन कोटिंग के प्रभाव पर गहन चर्चाएँ कम ही हैं। यह शोधपत्र कार्बन स्रोत के रूप में एस्फाल्ट का उपयोग करके दो कार्बन कोटिंग विधियों, तरल चरण कोटिंग और ठोस चरण कोटिंग, के कोटिंग प्रभाव और सिलिकॉन-आधारित ऋणात्मक इलेक्ट्रोड सामग्रियों के प्रदर्शन पर पड़ने वाले प्रभावों की जांच करता है।

1 प्रयोग

1.1 सामग्री की तैयारी

छिद्रयुक्त सिलिकॉन-कार्बन मिश्रित सामग्री के निर्माण में मुख्य रूप से पाँच चरण शामिल हैं: बॉल मिलिंग, पीसना और फैलाव, स्प्रे ड्राइंग, कार्बन प्री-कोटिंग और कार्बनीकरण। सबसे पहले, 500 ग्राम प्रारंभिक सिलिकॉन पाउडर (घरेलू, 99.99% शुद्धता) का वजन करें, उसमें 2000 ग्राम आइसोप्रोपेनॉल मिलाएं और 2000 r/min की बॉल मिलिंग गति पर 24 घंटे तक गीली बॉल मिलिंग करके नैनो-स्केल सिलिकॉन स्लरी प्राप्त करें। प्राप्त सिलिकॉन स्लरी को एक फैलाव स्थानांतरण टैंक में स्थानांतरित किया जाता है, और सिलिकॉन: ग्रेफाइट (शंघाई में उत्पादित, बैटरी ग्रेड): कार्बन नैनोट्यूब (तियानजिन में उत्पादित, बैटरी ग्रेड): पॉलीविनाइल पाइरोलिडोन (तियानजिन में उत्पादित, विश्लेषणात्मक ग्रेड) के द्रव्यमान अनुपात = 40:60:1.5:2 के अनुसार सामग्री मिलाई जाती है। ठोस सामग्री को समायोजित करने के लिए आइसोप्रोपेनॉल का उपयोग किया जाता है, और ठोस सामग्री को 15% निर्धारित किया जाता है। पिसाई और फैलाव की प्रक्रिया 3500 r/min की फैलाव गति पर 4 घंटे तक की जाती है। CNTs मिलाए बिना तैयार किए गए घोल के एक अन्य समूह की तुलना की जाती है, जिसमें अन्य सभी सामग्रियां समान होती हैं। प्राप्त फैले हुए घोल को स्प्रे ड्राइंग फीडिंग टैंक में स्थानांतरित किया जाता है, और नाइट्रोजन-सुरक्षित वातावरण में स्प्रे ड्राइंग की प्रक्रिया की जाती है, जिसमें प्रवेश और निकास तापमान क्रमशः 180 और 90 डिग्री सेल्सियस होता है। इसके बाद दो प्रकार की कार्बन कोटिंग की तुलना की गई: ठोस चरण कोटिंग और तरल चरण कोटिंग। ठोस चरण कोटिंग विधि इस प्रकार है: स्प्रे-ड्राइड पाउडर को 20% एस्फाल्ट पाउडर (कोरिया में निर्मित, D50 5 μm) के साथ मिलाया जाता है, 10 मिनट तक एक मैकेनिकल मिक्सर में मिलाया जाता है, और मिश्रण की गति 2000 r/min होती है, जिससे पूर्व-लेपित पाउडर प्राप्त होता है। तरल चरण कोटिंग विधि इस प्रकार है: स्प्रे-ड्राइड पाउडर को 20% एस्फाल्ट युक्त ज़ाइलीन घोल (तियानजिन में निर्मित, विश्लेषणात्मक ग्रेड) में मिलाया जाता है, जिसमें पाउडर की ठोस मात्रा 55% होती है, और इसे वैक्यूम में समान रूप से हिलाया जाता है। इसे 85°C पर 4 घंटे के लिए वैक्यूम ओवन में पकाया जाता है, फिर इसे 2000 r/min की गति से 10 मिनट के लिए एक यांत्रिक मिक्सर में डालकर मिलाया जाता है, जिससे प्री-कोटेड पाउडर प्राप्त होता है। अंत में, प्री-कोटेड पाउडर को नाइट्रोजन वातावरण में 5°C/min की ताप दर से रोटरी भट्टी में गर्म किया जाता है। इसे पहले 2 घंटे के लिए 550°C के स्थिर तापमान पर रखा जाता है, फिर 800°C तक गर्म किया जाता है और 2 घंटे के लिए स्थिर तापमान पर रखा जाता है, और फिर स्वाभाविक रूप से 100°C से नीचे ठंडा होने दिया जाता है, जिससे सिलिकॉन-कार्बन मिश्रित सामग्री प्राप्त होती है।

1.2 लक्षण वर्णन विधियाँ

सामग्री के कण आकार वितरण का विश्लेषण कण आकार परीक्षक (मास्टरसाइज़र 2000 संस्करण, यूके में निर्मित) का उपयोग करके किया गया। प्रत्येक चरण में प्राप्त पाउडर की आकृति और आकार की जांच के लिए स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (रेगुलस 8220, जापान में निर्मित) द्वारा परीक्षण किया गया। सामग्री की चरण संरचना का विश्लेषण एक्स-रे पाउडर विवर्तन विश्लेषक (डी8 एडवांस, जर्मनी में निर्मित) का उपयोग करके किया गया, और सामग्री की मौलिक संरचना का विश्लेषण ऊर्जा स्पेक्ट्रम विश्लेषक का उपयोग करके किया गया। प्राप्त सिलिकॉन-कार्बन मिश्रित सामग्री का उपयोग CR2032 मॉडल के बटन हाफ-सेल बनाने के लिए किया गया, और सिलिकॉन-कार्बन: SP: CNT: CMC: SBR का द्रव्यमान अनुपात 92:2:2:1.5:2.5 था। काउंटर इलेक्ट्रोड एक धातु लिथियम शीट है, इलेक्ट्रोलाइट एक वाणिज्यिक इलेक्ट्रोलाइट (मॉडल 1901, कोरिया में निर्मित) है, सेलगार्ड 2320 डायाफ्राम का उपयोग किया जाता है, चार्ज और डिस्चार्ज वोल्टेज रेंज 0.005-1.5 वी है, चार्ज और डिस्चार्ज करंट 0.1 सी (1 सी = 1 ए) है, और डिस्चार्ज कट-ऑफ करंट 0.05 सी है।

सिलिकॉन-कार्बन मिश्रित सामग्रियों के प्रदर्शन की गहन जांच करने के लिए, लेमिनेटेड छोटी सॉफ्ट-पैक बैटरी 408595 बनाई गई। धनात्मक इलेक्ट्रोड के लिए NCM811 (हुनान में निर्मित, बैटरी ग्रेड) का उपयोग किया गया, और ऋणात्मक इलेक्ट्रोड के लिए ग्रेफाइट में 8% सिलिकॉन-कार्बन सामग्री मिलाई गई। धनात्मक इलेक्ट्रोड के घोल का सूत्र 96% NCM811, 1.2% पॉलीविनाइलिडीन फ्लोराइड (PVDF), 2% चालक एजेंट SP, 0.8% CNT है, और NMP का उपयोग विक्षेपक के रूप में किया गया है; ऋणात्मक इलेक्ट्रोड के घोल का सूत्र 96% मिश्रित ऋणात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री, 1.3% CMC, 1.5% SBR, 1.2% CNT है, और जल का उपयोग विक्षेपक के रूप में किया गया है। हिलाने, लेप लगाने, रोलिंग, काटने, लेमिनेशन, टैब वेल्डिंग, पैकेजिंग, बेकिंग, तरल इंजेक्शन, निर्माण और क्षमता विभाजन के बाद, 3 Ah की रेटेड क्षमता वाली 408595 लेमिनेटेड छोटी सॉफ्ट-पैक बैटरियां तैयार की गईं। 0.2C, 0.5C, 1C, 2C और 3C की दर प्रदर्शन तथा 0.5C चार्ज और 1C डिस्चार्ज के चक्र प्रदर्शन का परीक्षण किया गया। चार्ज और डिस्चार्ज वोल्टेज रेंज 2.8-4.2 V थी, चार्जिंग स्थिर धारा और स्थिर वोल्टेज पर की गई, और कट-ऑफ धारा 0.5C थी।

2 परिणाम और चर्चा

प्रारंभिक सिलिकॉन पाउडर का स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM) द्वारा अवलोकन किया गया। सिलिकॉन पाउडर अनियमित दानेदार था, जिसका कण आकार 2μm से कम था, जैसा कि चित्र 1(a) में दिखाया गया है। बॉल मिलिंग के बाद, सिलिकॉन पाउडर का आकार काफी कम होकर लगभग 100 nm रह गया [चित्र 1(b)]। कण आकार परीक्षण से पता चला कि बॉल मिलिंग के बाद सिलिकॉन पाउडर का D50 110 nm और D90 175 nm था। बॉल मिलिंग के बाद सिलिकॉन पाउडर की आकृति विज्ञान की सावधानीपूर्वक जांच से एक परतदार संरचना दिखाई देती है (परतदार संरचना के निर्माण की पुष्टि बाद में क्रॉस-सेक्शनल SEM द्वारा की जाएगी)। इसलिए, कण आकार परीक्षण से प्राप्त D90 डेटा नैनोशीट की लंबाई होनी चाहिए। SEM परिणामों के साथ मिलाकर, यह अनुमान लगाया जा सकता है कि प्राप्त नैनोशीट का आकार कम से कम एक आयाम में चार्जिंग और डिस्चार्जिंग के दौरान सिलिकॉन पाउडर के टूटने के लिए आवश्यक 150 nm के महत्वपूर्ण मान से छोटा है। परतदार संरचना का निर्माण मुख्य रूप से क्रिस्टलीय सिलिकॉन के क्रिस्टल तलों की वियोजन ऊर्जाओं में अंतर के कारण होता है, जिनमें से सिलिकॉन के {111} तल की वियोजन ऊर्जा {100} और {110} क्रिस्टल तलों की तुलना में कम होती है। इसलिए, इस क्रिस्टल तल को बॉल मिलिंग द्वारा आसानी से पतला किया जा सकता है, और अंततः परतदार संरचना का निर्माण होता है। परतदार संरचना ढीली संरचनाओं के संचय के लिए अनुकूल होती है, सिलिकॉन के आयतन विस्तार के लिए स्थान सुरक्षित रखती है, और सामग्री की स्थिरता में सुधार करती है।

नैनो-सिलिकॉन, सीएनटी और ग्रेफाइट युक्त घोल का छिड़काव किया गया, और छिड़काव से पहले और बाद में पाउडर का एसईएम द्वारा परीक्षण किया गया। परिणाम चित्र 2 में दर्शाए गए हैं। छिड़काव से पहले मिलाया गया ग्रेफाइट मैट्रिक्स 5 से 20 μm आकार की एक विशिष्ट परतदार संरचना है [चित्र 2(a)]। ग्रेफाइट के कण आकार वितरण परीक्षण से पता चलता है कि D50 15 μm है। छिड़काव के बाद प्राप्त पाउडर का आकार गोलाकार है [चित्र 2(b)], और यह देखा जा सकता है कि छिड़काव के बाद ग्रेफाइट पर एक परत चढ़ गई है। छिड़काव के बाद पाउडर का D50 26.2 μm है। द्वितीयक कणों की आकारिकी विशेषताओं का एसईएम द्वारा अवलोकन किया गया, जो नैनोमटेरियल्स द्वारा संचित एक ढीली छिद्रपूर्ण संरचना की विशेषताओं को दर्शाती हैं [चित्र 2(c)]। छिद्रयुक्त संरचना सिलिकॉन नैनोशीट्स और सीएनटी से बनी है जो एक दूसरे से आपस में गुंथी हुई हैं [चित्र 2(डी)], और परीक्षण विशिष्ट सतह क्षेत्र (बीईटी) 53.3 वर्ग मीटर/ग्राम जितना उच्च है। इसलिए, छिड़काव के बाद, सिलिकॉन नैनोशीट्स और सीएनटी स्वतः जुड़कर एक छिद्रयुक्त संरचना बनाते हैं।

छिद्रयुक्त परत को तरल कार्बन कोटिंग से उपचारित किया गया, और कार्बन कोटिंग प्रीकर्सर पिच मिलाने और कार्बनीकरण के बाद, एसईएम अवलोकन किया गया। परिणाम चित्र 3 में दर्शाए गए हैं। कार्बन प्री-कोटिंग के बाद, द्वितीयक कणों की सतह चिकनी हो जाती है, जिसमें एक स्पष्ट कोटिंग परत दिखाई देती है, और कोटिंग पूर्ण हो जाती है, जैसा कि चित्र 3(a) और (b) में दिखाया गया है। कार्बनीकरण के बाद, सतह कोटिंग परत अच्छी कोटिंग स्थिति में बनी रहती है [चित्र 3(c)]। इसके अतिरिक्त, अनुप्रस्थ काट एसईएम छवि पट्टी के आकार के नैनोकणों को दर्शाती है [चित्र 3(d)], जो नैनोशीट की रूपात्मक विशेषताओं के अनुरूप हैं, और बॉल मिलिंग के बाद सिलिकॉन नैनोशीट के निर्माण की पुष्टि करते हैं। इसके अतिरिक्त, चित्र 3(d) दर्शाता है कि कुछ नैनोशीट के बीच फिलर्स मौजूद हैं। यह मुख्य रूप से तरल चरण कोटिंग विधि के उपयोग के कारण है। एस्फाल्ट घोल सामग्री में प्रवेश करता है, जिससे आंतरिक सिलिकॉन नैनोशीट की सतह पर कार्बन कोटिंग की सुरक्षात्मक परत बन जाती है। इसलिए, तरल चरण कोटिंग का उपयोग करके, द्वितीयक कण कोटिंग प्रभाव प्राप्त करने के साथ-साथ, प्राथमिक कण कोटिंग का दोहरा कार्बन कोटिंग प्रभाव भी प्राप्त किया जा सकता है। कार्बनीकृत पाउडर का बीईटी परीक्षण किया गया, और परीक्षण परिणाम 22.3 m²/g प्राप्त हुआ।

कार्बनीकृत पाउडर का अनुप्रस्थ काट ऊर्जा स्पेक्ट्रम विश्लेषण (EDS) किया गया, जिसके परिणाम चित्र 4(a) में दर्शाए गए हैं। सूक्ष्म कण आकार का कोर C घटक है, जो ग्रेफाइट मैट्रिक्स के अनुरूप है, और बाहरी परत में सिलिकॉन और ऑक्सीजन मौजूद हैं। सिलिकॉन की संरचना का और अधिक अध्ययन करने के लिए, एक्स-रे विवर्तन (XRD) परीक्षण किया गया, जिसके परिणाम चित्र 4(b) में दर्शाए गए हैं। यह पदार्थ मुख्य रूप से ग्रेफाइट और एकल-क्रिस्टल सिलिकॉन से बना है, जिसमें सिलिकॉन ऑक्साइड की कोई स्पष्ट विशेषता नहीं है, जो दर्शाता है कि ऊर्जा स्पेक्ट्रम परीक्षण में ऑक्सीजन घटक मुख्य रूप से सिलिकॉन सतह के प्राकृतिक ऑक्सीकरण से आता है। सिलिकॉन-कार्बन मिश्रित पदार्थ को S1 के रूप में दर्ज किया गया है।

तैयार किए गए सिलिकॉन-कार्बन पदार्थ S1 को बटन-प्रकार के हाफ-सेल उत्पादन और चार्ज-डिस्चार्ज परीक्षणों के अधीन किया गया। पहला चार्ज-डिस्चार्ज वक्र चित्र 5 में दिखाया गया है। प्रतिवर्ती विशिष्ट क्षमता 1000.8 mAh/g है, और प्रथम चक्र दक्षता 93.9% जितनी उच्च है, जो साहित्य में उल्लिखित पूर्व-लिथिएशन के बिना अधिकांश सिलिकॉन-आधारित पदार्थों की प्रथम दक्षता से अधिक है। उच्च प्रथम दक्षता इंगित करती है कि तैयार सिलिकॉन-कार्बन मिश्रित पदार्थ में उच्च स्थिरता है। सिलिकॉन-कार्बन पदार्थों की स्थिरता पर छिद्रपूर्ण संरचना, प्रवाहकीय नेटवर्क और कार्बन कोटिंग के प्रभावों को सत्यापित करने के लिए, CNT मिलाए बिना और प्राथमिक कार्बन कोटिंग के बिना दो प्रकार के सिलिकॉन-कार्बन पदार्थ तैयार किए गए।

बिना CNT मिलाए सिलिकॉन-कार्बन मिश्रित पदार्थ के कार्बनीकृत पाउडर की आकृति को चित्र 6 में दर्शाया गया है। तरल अवस्था कोटिंग और कार्बनीकरण के बाद, चित्र 6(a) में द्वितीयक कणों की सतह पर एक कोटिंग परत स्पष्ट रूप से देखी जा सकती है। कार्बनीकृत पदार्थ का अनुप्रस्थ काट SEM चित्र 6(b) में दिखाया गया है। सिलिकॉन नैनोशीट्स की स्टैकिंग में छिद्रयुक्त गुण हैं, और BET परीक्षण 16.6 m²/g है। हालांकि, CNT की उपस्थिति की तुलना में [जैसा कि चित्र 3(d) में दिखाया गया है, इसके कार्बनीकृत पाउडर का BET परीक्षण 22.3 m²/g है], आंतरिक नैनो-सिलिकॉन स्टैकिंग घनत्व अधिक है, जो दर्शाता है कि CNT मिलाने से छिद्रयुक्त संरचना के निर्माण को बढ़ावा मिलता है। इसके अलावा, इस पदार्थ में CNT द्वारा निर्मित त्रि-आयामी प्रवाहकीय नेटवर्क नहीं है। सिलिकॉन-कार्बन मिश्रित पदार्थ को S2 के रूप में दर्ज किया गया है।

ठोस-चरण कार्बन कोटिंग द्वारा तैयार किए गए सिलिकॉन-कार्बन मिश्रित पदार्थ की रूपात्मक विशेषताओं को चित्र 7 में दर्शाया गया है। कार्बनीकरण के बाद, सतह पर एक स्पष्ट कोटिंग परत दिखाई देती है, जैसा कि चित्र 7(a) में दिखाया गया है। चित्र 7(b) में अनुप्रस्थ काट में पट्टी के आकार के नैनोकण दिखाई देते हैं, जो नैनोशीट की रूपात्मक विशेषताओं के अनुरूप हैं। नैनोशीट के संचय से एक छिद्रयुक्त संरचना बनती है। आंतरिक नैनोशीट की सतह पर कोई स्पष्ट भराव नहीं है, जो दर्शाता है कि ठोस-चरण कार्बन कोटिंग केवल छिद्रयुक्त संरचना वाली कार्बन कोटिंग परत बनाती है, और सिलिकॉन नैनोशीट के लिए कोई आंतरिक कोटिंग परत नहीं है। इस सिलिकॉन-कार्बन मिश्रित पदार्थ को S3 के रूप में दर्ज किया गया है।

S2 और S3 पर बटन-प्रकार के हाफ-सेल चार्ज और डिस्चार्ज परीक्षण किए गए। S2 की विशिष्ट क्षमता और प्रथम दक्षता क्रमशः 1120.2 mAh/g और 84.8% थी, जबकि S3 की विशिष्ट क्षमता और प्रथम दक्षता क्रमशः 882.5 mAh/g और 82.9% थी। ठोस-चरण लेपित S3 नमूने की विशिष्ट क्षमता और प्रथम दक्षता सबसे कम थी, जिससे पता चलता है कि केवल छिद्रपूर्ण संरचना की कार्बन कोटिंग की गई थी, आंतरिक सिलिकॉन नैनोशीट्स की कार्बन कोटिंग नहीं की गई थी, जिससे सिलिकॉन-आधारित सामग्री की विशिष्ट क्षमता का पूरा उपयोग नहीं हो सका और सिलिकॉन-आधारित सामग्री की सतह की सुरक्षा भी नहीं हो सकी। CNT रहित S2 नमूने की प्रथम दक्षता भी CNT युक्त सिलिकॉन-कार्बन मिश्रित सामग्री की तुलना में कम थी, जिससे पता चलता है कि एक अच्छी कोटिंग परत, प्रवाहकीय नेटवर्क और उच्च स्तर की छिद्रपूर्ण संरचना सिलिकॉन-कार्बन सामग्री की चार्ज और डिस्चार्ज दक्षता में सुधार के लिए सहायक हैं।

रेट परफॉर्मेंस और साइकल परफॉर्मेंस की जांच करने के लिए S1 सिलिकॉन-कार्बन सामग्री का उपयोग करके एक छोटी सॉफ्ट-पैक फुल बैटरी बनाई गई। डिस्चार्ज रेट कर्व चित्र 8(a) में दिखाया गया है। 0.2C, 0.5C, 1C, 2C और 3C की डिस्चार्ज क्षमता क्रमशः 2.970, 2.999, 2.920, 2.176 और 1.021 Ah है। 1C डिस्चार्ज रेट 98.3% तक है, लेकिन 2C डिस्चार्ज रेट घटकर 73.3% और 3C डिस्चार्ज रेट और भी घटकर 34.4% हो जाता है। सिलिकॉन नेगेटिव इलेक्ट्रोड एक्सचेंज ग्रुप में शामिल होने के लिए, कृपया WeChat पर shimobang से जुड़ें। चार्जिंग दर के संदर्भ में, 0.2C, 0.5C, 1C, 2C और 3C चार्जिंग क्षमताएँ क्रमशः 3.186, 3.182, 3.081, 2.686 और 2.289 Ah हैं। 1C चार्जिंग दर 96.7% है, और 2C चार्जिंग दर 84.3% तक पहुँच जाती है। हालाँकि, चित्र 8(b) में चार्जिंग वक्र को देखने पर, 2C चार्जिंग प्लेटफॉर्म 1C चार्जिंग प्लेटफॉर्म से काफी बड़ा है, और इसकी स्थिर वोल्टेज चार्जिंग क्षमता का अधिकांश हिस्सा (55%) है, जो दर्शाता है कि 2C रिचार्जेबल बैटरी का ध्रुवीकरण पहले से ही बहुत अधिक है। सिलिकॉन-कार्बन सामग्री 1C पर अच्छी चार्जिंग और डिस्चार्जिंग क्षमता प्रदर्शित करती है, लेकिन उच्च दर प्रदर्शन प्राप्त करने के लिए सामग्री की संरचनात्मक विशेषताओं में और सुधार की आवश्यकता है। जैसा कि चित्र 9 में दिखाया गया है, 450 चक्रों के बाद, क्षमता प्रतिधारण दर 78% है, जो अच्छे चक्र प्रदर्शन को दर्शाती है।

चक्र से पहले और बाद में इलेक्ट्रोड की सतह की स्थिति का SEM द्वारा अध्ययन किया गया, और परिणाम चित्र 10 में दर्शाए गए हैं। चक्र से पहले, ग्रेफाइट और सिलिकॉन-कार्बन पदार्थों की सतह साफ है [चित्र 10(a)]; चक्र के बाद, सतह पर एक कोटिंग परत स्पष्ट रूप से बन जाती है [चित्र 10(b)], जो एक मोटी SEI फिल्म है। SEI फिल्म की खुरदरापन के कारण सक्रिय लिथियम की खपत अधिक होती है, जो चक्र के प्रदर्शन के लिए अनुकूल नहीं है। इसलिए, एक चिकनी SEI फिल्म के निर्माण को बढ़ावा देना (जैसे कृत्रिम SEI फिल्म निर्माण, उपयुक्त इलेक्ट्रोलाइट योजक जोड़ना आदि) चक्र के प्रदर्शन में सुधार कर सकता है। चक्र के बाद सिलिकॉन-कार्बन कणों का अनुप्रस्थ काट SEM अवलोकन [चित्र 10(c)] दर्शाता है कि मूल पट्टी के आकार के सिलिकॉन नैनोकण मोटे हो गए हैं और छिद्रपूर्ण संरचना लगभग समाप्त हो गई है। यह मुख्य रूप से चक्र के दौरान सिलिकॉन-कार्बन पदार्थ के निरंतर आयतन विस्तार और संकुचन के कारण होता है। इसलिए, सिलिकॉन-आधारित पदार्थ के आयतन विस्तार के लिए पर्याप्त बफर स्थान प्रदान करने के लिए छिद्रपूर्ण संरचना को और अधिक मजबूत करने की आवश्यकता है।

3 निष्कर्ष

सिलिकॉन-आधारित ऋणात्मक इलेक्ट्रोड सामग्रियों के आयतन विस्तार, कम चालकता और कम इंटरफ़ेस स्थिरता को ध्यान में रखते हुए, यह शोधपत्र सिलिकॉन नैनोशीट्स के आकार निर्धारण, छिद्रयुक्त संरचना निर्माण, चालक नेटवर्क निर्माण और सभी द्वितीयक कणों पर पूर्ण कार्बन कोटिंग के माध्यम से सिलिकॉन-आधारित ऋणात्मक इलेक्ट्रोड सामग्रियों की समग्र स्थिरता में सुधार करने के लिए लक्षित सुधार प्रस्तुत करता है। सिलिकॉन नैनोशीट्स के संचय से छिद्रयुक्त संरचना का निर्माण होता है। CNT का समावेश छिद्रयुक्त संरचना के निर्माण को और बढ़ावा देता है। तरल-चरण कोटिंग द्वारा तैयार सिलिकॉन-कार्बन मिश्रित सामग्री में ठोस-चरण कोटिंग द्वारा तैयार सामग्री की तुलना में दोगुना कार्बन कोटिंग प्रभाव होता है, और यह उच्च विशिष्ट क्षमता और प्रथम दक्षता प्रदर्शित करती है। इसके अतिरिक्त, CNT युक्त सिलिकॉन-कार्बन मिश्रित सामग्री की प्रथम दक्षता CNT रहित सामग्री की तुलना में अधिक होती है, जिसका मुख्य कारण छिद्रयुक्त संरचना की सिलिकॉन-आधारित सामग्रियों के आयतन विस्तार को कम करने की उच्च क्षमता है। CNT का समावेश त्रि-आयामी चालक नेटवर्क का निर्माण करता है, सिलिकॉन-आधारित सामग्रियों की चालकता में सुधार करता है, और 1C पर अच्छा दर प्रदर्शन दिखाता है; साथ ही, सामग्री अच्छा चक्र प्रदर्शन भी प्रदर्शित करती है। हालांकि, सिलिकॉन के आयतन विस्तार के लिए पर्याप्त बफर स्थान प्रदान करने और एक चिकनी सतह के निर्माण को बढ़ावा देने के लिए सामग्री की छिद्रपूर्ण संरचना को और मजबूत करने की आवश्यकता है।और सिलिकॉन-कार्बन मिश्रित सामग्री के चक्र प्रदर्शन को और बेहतर बनाने के लिए सघन SEI फिल्म का उपयोग किया जाता है।

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