सच्छिद्र सिलिकॉन कार्बन संमिश्र सामग्रीची निर्मिती आणि कार्यक्षमता सुधारणा

लिथियम-आयन बॅटरी मुख्यत्वे उच्च ऊर्जा घनतेच्या दिशेने विकसित होत आहेत. सामान्य तापमानावर, सिलिकॉन-आधारित निगेटिव्ह इलेक्ट्रोड मटेरियल लिथियमसोबत मिश्रधातू बनवून लिथियम-समृद्ध उत्पादन Li3.75Si फेज तयार करते, ज्याची विशिष्ट क्षमता 3572 mAh/g पर्यंत असते, जी ग्रॅफाइट निगेटिव्ह इलेक्ट्रोडच्या 372 mAh/g या सैद्धांतिक विशिष्ट क्षमतेपेक्षा खूप जास्त आहे. तथापि, सिलिकॉन-आधारित निगेटिव्ह इलेक्ट्रोड मटेरियलच्या वारंवार चार्जिंग आणि डिस्चार्जिंग प्रक्रियेदरम्यान, Si आणि Li3.75Si च्या फेज ट्रान्सफॉर्मेशनमुळे प्रचंड आकारमान विस्तार (सुमारे 300%) होऊ शकतो, ज्यामुळे इलेक्ट्रोड मटेरियलची संरचनात्मक पावडर होते आणि SEI फिल्मची सतत निर्मिती होते, आणि अखेरीस क्षमता झपाट्याने कमी होते. उद्योग मुख्यत्वे नॅनो-सायझिंग, कार्बन कोटिंग, पोअर फॉर्मेशन आणि इतर तंत्रज्ञानाद्वारे सिलिकॉन-आधारित निगेटिव्ह इलेक्ट्रोड मटेरियलची कार्यक्षमता आणि सिलिकॉन-आधारित बॅटरीची स्थिरता सुधारतो.

कार्बन पदार्थांमध्ये चांगली वाहकता, कमी किंमत आणि विस्तृत स्रोत असतात. ते सिलिकॉन-आधारित पदार्थांची वाहकता आणि पृष्ठभागाची स्थिरता सुधारू शकतात. सिलिकॉन-आधारित ऋण इलेक्ट्रोडसाठी कार्यक्षमता वाढवणारे पदार्थ म्हणून त्यांचा प्राधान्याने वापर केला जातो. सिलिकॉन-कार्बन पदार्थ हे सिलिकॉन-आधारित ऋण इलेक्ट्रोडच्या विकासाची मुख्य दिशा आहे. कार्बन कोटिंग सिलिकॉन-आधारित पदार्थांच्या पृष्ठभागाची स्थिरता सुधारू शकते, परंतु सिलिकॉनच्या आकारमानातील वाढ रोखण्याची त्याची क्षमता सामान्य आहे आणि ती सिलिकॉनच्या आकारमानातील वाढीची समस्या सोडवू शकत नाही. म्हणून, सिलिकॉन-आधारित पदार्थांची स्थिरता सुधारण्यासाठी, सच्छिद्र संरचना तयार करणे आवश्यक आहे. बॉल मिलिंग ही नॅनोपदार्थ तयार करण्याची एक औद्योगिक पद्धत आहे. संमिश्र पदार्थाच्या डिझाइनच्या गरजेनुसार बॉल मिलिंगद्वारे मिळवलेल्या स्लरीमध्ये वेगवेगळे पदार्थ किंवा घटक जोडले जाऊ शकतात. ही स्लरी विविध स्लरींद्वारे समान रीतीने विखुरली जाते आणि स्प्रे-ड्राय केली जाते. तात्काळ सुकण्याच्या प्रक्रियेदरम्यान, स्लरीमधील नॅनोकण आणि इतर घटक आपोआप सच्छिद्र संरचनात्मक वैशिष्ट्ये तयार करतात. या शोधनिबंधात सच्छिद्र सिलिकॉन-आधारित पदार्थ तयार करण्यासाठी औद्योगिक आणि पर्यावरणपूरक बॉल मिलिंग आणि स्प्रे ड्रायिंग तंत्रज्ञानाचा वापर केला आहे.

सिलिकॉन नॅनोमटेरियल्सच्या आकारविज्ञान आणि वितरण वैशिष्ट्यांचे नियमन करून सिलिकॉन-आधारित सामग्रीची कार्यक्षमता देखील सुधारली जाऊ शकते. सध्या, विविध आकारविज्ञान आणि वितरण वैशिष्ट्यांसह सिलिकॉन-आधारित सामग्री तयार केली गेली आहे, जसे की सिलिकॉन नॅनोरॉड, सच्छिद्र ग्रॅफाइट अंतर्भूत नॅनोसिलिकॉन, कार्बन गोलांमध्ये वितरित नॅनोसिलिकॉन, सिलिकॉन/ग्राफीन अॅरे सच्छिद्र संरचना इत्यादी. त्याच स्केलवर, नॅनोपार्टिकल्सच्या तुलनेत, नॅनोशीट्स आकारमान विस्तारामुळे होणारी चुरा होण्याची समस्या अधिक चांगल्या प्रकारे रोखू शकतात आणि सामग्रीची संकोचन घनता जास्त असते. नॅनोशीट्सच्या अव्यवस्थित रचनेमुळे एक सच्छिद्र संरचना देखील तयार होऊ शकते. सिलिकॉन निगेटिव्ह इलेक्ट्रोड एक्सचेंज ग्रुपला जोडण्यासाठी. सिलिकॉन सामग्रीच्या आकारमान विस्तारासाठी एक बफर जागा प्रदान करते. कार्बन नॅनोट्यूब्स (CNTs) च्या समावेशामुळे केवळ सामग्रीची चालकता सुधारत नाही, तर त्यांच्या एक-मितीय आकारविज्ञान वैशिष्ट्यांमुळे सामग्रीच्या सच्छिद्र संरचनांच्या निर्मितीस देखील प्रोत्साहन मिळते. सिलिकॉन नॅनोशीट्स आणि CNTs द्वारे तयार केलेल्या सच्छिद्र संरचनांवर कोणतेही अहवाल नाहीत. या शोधनिबंधात औद्योगिकदृष्ट्या लागू असलेल्या बॉल मिलिंग, ग्राइंडिंग आणि डिस्पर्शन, स्प्रे ड्रायिंग, कार्बन प्री-कोटिंग आणि कॅल्सिनेशन पद्धतींचा अवलंब केला आहे, आणि सिलिकॉन नॅनोशीट्स व सीएनटीच्या (CNTs) स्व-संयोजनाने तयार होणारे सच्छिद्र सिलिकॉन-आधारित ऋण इलेक्ट्रोड साहित्य तयार करण्यासाठी तयारी प्रक्रियेत सच्छिद्र प्रमोटर्सचा समावेश केला आहे. ही तयारी प्रक्रिया सोपी, पर्यावरणपूरक आहे आणि कोणताही टाकाऊ द्रव किंवा टाकाऊ अवशेष निर्माण होत नाही. सिलिकॉन-आधारित साहित्याच्या कार्बन कोटिंगवर अनेक साहित्य अहवाल उपलब्ध आहेत, परंतु कोटिंगच्या परिणामावर फार कमी सखोल चर्चा आढळते. या शोधनिबंधात कार्बन स्रोत म्हणून डांबराचा (ॲस्फाल्ट) वापर करून, द्रव-अवस्था कोटिंग आणि घन-अवस्था कोटिंग या दोन कार्बन कोटिंग पद्धतींचा, कोटिंगच्या परिणामावर आणि सिलिकॉन-आधारित ऋण इलेक्ट्रोड साहित्याच्या कार्यक्षमतेवर होणाऱ्या परिणामांचा अभ्यास केला आहे.

१ प्रयोग

१.१ सामग्रीची तयारी

सच्छिद्र सिलिकॉन-कार्बन संमिश्र सामग्रीच्या निर्मितीमध्ये प्रामुख्याने पाच टप्प्यांचा समावेश होतो: बॉल मिलिंग, दळणे आणि विखुरणे, स्प्रे ड्रायिंग, कार्बन प्री-कोटिंग आणि कार्बनीकरण. सर्वप्रथम, ५०० ग्रॅम प्रारंभिक सिलिकॉन पावडर (देशांतर्गत, ९९.९९% शुद्धता) तोलून घेतली जाते, त्यात २००० ग्रॅम आयसोप्रोपेनॉल मिसळले जाते आणि नॅनो-स्केल सिलिकॉन स्लरी मिळवण्यासाठी २००० आर/मिनिट या बॉल मिलिंग गतीने २४ तास ओले बॉल मिलिंग केले जाते. मिळालेली सिलिकॉन स्लरी एका विखुरण हस्तांतरण टाकीमध्ये (डिस्पर्शन ट्रान्सफर टँक) हस्तांतरित केली जाते आणि सिलिकॉन: ग्रॅफाइट (शांघायमध्ये उत्पादित, बॅटरी ग्रेड): कार्बन नॅनोट्यूब (तियानजिनमध्ये उत्पादित, बॅटरी ग्रेड): पॉलिव्हिनिल पायरोलिडोन (तियानजिनमध्ये उत्पादित, ॲनालिटिकल ग्रेड) = ४०:६०:१.५:२ या वस्तुमान गुणोत्तरानुसार सामग्री टाकली जाते. घन पदार्थांचे प्रमाण समायोजित करण्यासाठी आयसोप्रोपेनॉलचा वापर केला जातो आणि घन पदार्थांचे प्रमाण १५% ठेवण्याचे उद्दिष्ट असते. दळण्याची आणि विखुरण्याची प्रक्रिया ३५०० आर/मिनिट या विखुरण्याच्या गतीने ४ तास केली जाते. सीएनटी न घातलेल्या स्लरींच्या दुसऱ्या गटाची तुलना केली जाते आणि इतर साहित्य समान असते. मिळालेली विखुरलेली स्लरी नंतर स्प्रे ड्रायिंग फीडिंग टँकमध्ये हस्तांतरित केली जाते आणि नायट्रोजन-संरक्षित वातावरणात स्प्रे ड्रायिंग केले जाते, ज्यामध्ये इनलेट आणि आउटलेट तापमान अनुक्रमे १८० आणि ९० °C असते. त्यानंतर दोन प्रकारच्या कार्बन कोटिंगची तुलना केली गेली, सॉलिड फेज कोटिंग आणि लिक्विड फेज कोटिंग. सॉलिड फेज कोटिंग पद्धत अशी आहे: स्प्रे-ड्राइड पावडरमध्ये २०% डांबराची पावडर (कोरियामध्ये बनवलेली, D50 ५ μm आहे) मिसळली जाते, मेकॅनिकल मिक्सरमध्ये १० मिनिटे मिसळले जाते आणि प्री-कोटेड पावडर मिळवण्यासाठी मिसळण्याची गती २००० आर/मिनिट असते. द्रव अवस्थेतील लेपन पद्धत अशी आहे: स्प्रे-ड्राइड पावडरमध्ये ५५% घन पदार्थ असलेल्या, २०% डांबर विरघळलेल्या झायलिन द्रावणात (तियानजिनमध्ये बनवलेले, विश्लेषणात्मक दर्जाचे) ती टाकली जाते आणि व्हॅक्यूममध्ये एकसमान ढवळली जाते. व्हॅक्यूम ओव्हनमध्ये ८५℃ तापमानावर ४ तास बेक करून, मिश्रणासाठी यांत्रिक मिक्सरमध्ये टाकले जाते. मिश्रणाचा वेग २००० आर/मिनिट आणि मिश्रणाचा वेळ १० मिनिटे असतो, ज्यामुळे पूर्व-लेपित पावडर मिळते. शेवटी, पूर्व-लेपित पावडर नायट्रोजनच्या वातावरणाखाली रोटरी भट्टीमध्ये ५°C/मिनिट या तापमानाच्या दराने तापवली जाते. प्रथम ती ५५०°C या स्थिर तापमानावर २ तास ठेवली जाते, नंतर ८००°C पर्यंत गरम करणे सुरू ठेवले जाते आणि २ तास स्थिर तापमानावर ठेवले जाते, आणि नंतर १००°C च्या खाली नैसर्गिकरित्या थंड करून बाहेर काढले जाते, ज्यामुळे सिलिकॉन-कार्बन संमिश्र पदार्थ मिळतो.

१.२ वैशिष्ट्यीकरण पद्धती

पदार्थाच्या कणांच्या आकाराच्या वितरणाचे विश्लेषण पार्टिकल साईज टेस्टर (मास्टरसायझर २००० आवृत्ती, यूकेमध्ये बनवलेले) वापरून करण्यात आले. प्रत्येक टप्प्यात मिळालेल्या पावडरची रचना आणि आकार तपासण्यासाठी स्कॅनिंग इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोपी (रेग्युलस८२२०, जपानमध्ये बनवलेले) वापरून चाचणी करण्यात आली. पदार्थाच्या प्रावस्था संरचनेचे विश्लेषण एक्स-रे पावडर डिफ्रेक्शन ॲनालायझर (डी८ ॲडव्हान्स, जर्मनीमध्ये बनवलेले) वापरून करण्यात आले आणि पदार्थाच्या मूलद्रव्यीय रचनेचे विश्लेषण एनर्जी स्पेक्ट्रम ॲनालायझर वापरून करण्यात आले. मिळालेल्या सिलिकॉन-कार्बन संमिश्र पदार्थाचा वापर CR2032 मॉडेलचा बटन हाफ-सेल बनवण्यासाठी करण्यात आला आणि सिलिकॉन-कार्बन: SP: CNT: CMC: SBR यांचे वस्तुमान गुणोत्तर ९२:२:२:१.५:२.५ असे होते. काउंटर इलेक्ट्रोड ही धातूची लिथियम शीट आहे, इलेक्ट्रोलाइट हा व्यावसायिक इलेक्ट्रोलाइट (मॉडेल 1901, कोरियामध्ये बनवलेला) आहे, सेलगार्ड 2320 डायफ्राम वापरला जातो, चार्ज आणि डिस्चार्ज व्होल्टेजची श्रेणी 0.005-1.5 V आहे, चार्ज आणि डिस्चार्ज करंट 0.1 C (1C = 1A) आहे आणि डिस्चार्ज कट-ऑफ करंट 0.05 C आहे.

सिलिकॉन-कार्बन संमिश्र पदार्थांच्या कार्यक्षमतेचा अधिक अभ्यास करण्यासाठी, लॅमिनेटेड लहान सॉफ्ट-पॅक बॅटरी ४०८५९५ बनवण्यात आली. पॉझिटिव्ह इलेक्ट्रोडसाठी NCM811 (हुनानमध्ये बनवलेले, बॅटरी ग्रेड) वापरले आहे, आणि निगेटिव्ह इलेक्ट्रोडच्या ग्रॅफाइटमध्ये ८% सिलिकॉन-कार्बन पदार्थाचे डोपिंग केले आहे. पॉझिटिव्ह इलेक्ट्रोड स्लरीचा फॉर्म्युला ९६% NCM811, १.२% पॉलिव्हिनिलिडेन फ्लोराइड (PVDF), २% कंडक्टिव्ह एजंट SP, ०.८% CNT असा आहे, आणि NMP चा वापर डिस्पर्संट म्हणून केला जातो; तर निगेटिव्ह इलेक्ट्रोड स्लरीचा फॉर्म्युला ९६% संमिश्र निगेटिव्ह इलेक्ट्रोड पदार्थ, १.३% CMC, १.५% SBR, १.२% CNT असा आहे, आणि पाण्याचा वापर डिस्पर्संट म्हणून केला जातो. ढवळणे, कोटिंग, रोलिंग, कापणे, लॅमिनेशन, टॅब वेल्डिंग, पॅकेजिंग, बेकिंग, लिक्विड इंजेक्शन, फॉर्मेशन आणि क्षमता विभाजन या प्रक्रियांनंतर, ३ Ah रेटेड क्षमतेच्या ४०८५९५ लॅमिनेटेड लहान सॉफ्ट-पॅक बॅटरी तयार करण्यात आल्या. 0.2C, 0.5C, 1C, 2C आणि 3C च्या दर कामगिरीची आणि 0.5C चार्ज व 1C डिस्चार्जच्या चक्र कामगिरीची चाचणी घेण्यात आली. चार्ज आणि डिस्चार्ज व्होल्टेजची श्रेणी 2.8-4.2 V होती, चार्जिंग स्थिर प्रवाहावर आणि स्थिर व्होल्टेजवर होते, आणि कट-ऑफ प्रवाह 0.5C होता.

२ निष्कर्ष आणि चर्चा

सुरुवातीच्या सिलिकॉन पावडरचे स्कॅनिंग इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोपी (SEM) द्वारे निरीक्षण करण्यात आले. आकृती १(अ) मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, सिलिकॉन पावडर अनियमित दाणेदार होती आणि तिच्या कणांचा आकार २μm पेक्षा कमी होता. बॉल मिलिंगनंतर, सिलिकॉन पावडरचा आकार लक्षणीयरीत्या कमी होऊन सुमारे १०० nm झाला [आकृती १(ब)]. कण आकार चाचणीत असे दिसून आले की, बॉल मिलिंगनंतरच्या सिलिकॉन पावडरचा D50 हा ११० nm आणि D90 हा १७५ nm होता. बॉल मिलिंगनंतरच्या सिलिकॉन पावडरच्या आकारविज्ञानाची (मॉर्फोलॉजी) काळजीपूर्वक तपासणी केल्यास एक पातळ पापुद्र्यासारखी रचना (फ्लेकी स्ट्रक्चर) दिसून येते (या पातळ पापुद्र्यासारख्या रचनेची निर्मिती नंतर क्रॉस-सेक्शनल SEM द्वारे अधिक सत्यापित केली जाईल). म्हणून, कण आकार चाचणीतून मिळालेला D90 डेटा हा नॅनोशीटची लांबी असावी. SEM च्या निष्कर्षांसोबत याचा विचार केल्यास, असा निष्कर्ष काढता येतो की, प्राप्त झालेल्या नॅनोशीटचा आकार चार्जिंग आणि डिस्चार्जिंग दरम्यान सिलिकॉन पावडर तुटण्याच्या १५० nm या क्रांतिक मूल्यापेक्षा किमान एका मितीमध्ये लहान आहे. पातळ पापुद्र्यासारख्या आकाराची निर्मिती प्रामुख्याने स्फटिकीय सिलिकॉनच्या स्फटिकीय प्रतलांच्या वेगवेगळ्या विघटन ऊर्जांमुळे होते, ज्यामध्ये सिलिकॉनच्या {111} प्रतलाची विघटन ऊर्जा {100} आणि {110} स्फटिकीय प्रतलांपेक्षा कमी असते. त्यामुळे, हे स्फटिकीय प्रतल बॉल मिलिंगद्वारे अधिक सहजपणे पातळ होते आणि अखेरीस पातळ पापुद्र्यासारखी रचना तयार होते. पातळ पापुद्र्यासारखी रचना सैल संरचनांच्या संचयनास अनुकूल असते, सिलिकॉनच्या आकारमान विस्तारासाठी जागा राखून ठेवते आणि पदार्थाची स्थिरता सुधारते.

नॅनो-सिलिकॉन, सीएनटी आणि ग्रॅफाइट असलेली स्लरी फवारण्यात आली आणि फवारणीपूर्वी व नंतरच्या पावडरची एसईएमद्वारे तपासणी करण्यात आली. त्याचे परिणाम आकृती २ मध्ये दर्शविले आहेत. फवारणीपूर्वी टाकलेला ग्रॅफाइट मॅट्रिक्स हा ५ ते २० μm आकाराचा एक वैशिष्ट्यपूर्ण फ्लेक (पातळ पापुद्र्यासारखा) रचना असलेला आहे [आकृती २(अ)]. ग्रॅफाइटच्या कणांच्या आकार वितरण चाचणीनुसार D50 हा १५μm आहे. फवारणीनंतर मिळालेल्या पावडरचा आकार गोलाकार आहे [आकृती २(ब)], आणि असे दिसून येते की फवारणीनंतर ग्रॅफाइटवर कोटिंगचा थर चढवला गेला आहे. फवारणीनंतरच्या पावडरचा D50 हा २६.२ μm आहे. दुय्यम कणांची आकारशास्त्रीय वैशिष्ट्ये एसईएमद्वारे पाहिली असता, नॅनोमटेरियल्समुळे तयार झालेल्या सैल सच्छिद्र रचनेची वैशिष्ट्ये दिसून आली [आकृती २(क)]. सच्छिद्र रचना एकमेकांत गुंतलेल्या सिलिकॉन नॅनोशीट आणि सीएनटींनी बनलेली आहे [आकृती २(डी)], आणि चाचणी विशिष्ट पृष्ठभाग क्षेत्रफळ (बीईटी) ५३.३ मी²/ग्रॅम इतके जास्त आहे. त्यामुळे, फवारणीनंतर, सिलिकॉन नॅनोशीट आणि सीएनटी स्व-एकत्रित होऊन एक सच्छिद्र रचना तयार करतात.

सच्छिद्र थरावर द्रव कार्बन कोटिंगची प्रक्रिया करण्यात आली, आणि कार्बन कोटिंग प्रीकर्सर पिच टाकून व कार्बनीकरण केल्यानंतर, SEM निरीक्षण करण्यात आले. त्याचे परिणाम आकृती ३ मध्ये दर्शविले आहेत. कार्बन प्री-कोटिंगनंतर, दुय्यम कणांचा पृष्ठभाग गुळगुळीत होतो, त्यावर एक स्पष्ट कोटिंग थर तयार होतो आणि कोटिंग पूर्ण होते, जसे आकृती ३(अ) आणि (ब) मध्ये दर्शविले आहे. कार्बनीकरणानंतर, पृष्ठभागावरील कोटिंग थर चांगल्या कोटिंग स्थितीत राहतो [आकृती ३(क)]. याव्यतिरिक्त, क्रॉस-सेक्शनल SEM प्रतिमेमध्ये पट्ट्यांच्या आकाराचे नॅनोपार्टिकल्स दिसतात [आकृती ३(ड)], जे नॅनोशीट्सच्या आकारशास्त्रीय वैशिष्ट्यांशी जुळतात, आणि बॉल मिलिंगनंतर सिलिकॉन नॅनोशीट्सच्या निर्मितीची अधिक पुष्टी करतात. याव्यतिरिक्त, आकृती ३(ड) दर्शवते की काही नॅनोशीट्समध्ये फिलर्स आहेत. हे मुख्यत्वे द्रव अवस्थेतील कोटिंग पद्धतीच्या वापरामुळे आहे. डांबराचे द्रावण पदार्थामध्ये प्रवेश करते, ज्यामुळे आतील सिलिकॉन नॅनोशीट्सच्या पृष्ठभागावर कार्बन कोटिंगचा संरक्षक थर तयार होतो. म्हणून, द्रव अवस्थेतील लेपन वापरून, दुय्यम कणांच्या लेपनाच्या परिणामाव्यतिरिक्त, प्राथमिक कणांच्या लेपनाचा दुहेरी कार्बन लेपनाचा परिणाम देखील मिळवता येतो. कार्बनीकृत पावडरची BET द्वारे चाचणी करण्यात आली आणि चाचणीचा निकाल २२.३ m²/g होता.

कार्बनीकृत पावडरचे क्रॉस-सेक्शनल एनर्जी स्पेक्ट्रम विश्लेषण (EDS) करण्यात आले आणि त्याचे परिणाम आकृती ४(अ) मध्ये दर्शविले आहेत. मायक्रॉन-आकाराचा गाभा हा C घटक आहे, जो ग्रॅफाइट मॅट्रिक्सशी संबंधित आहे, आणि बाह्य आवरणात सिलिकॉन आणि ऑक्सिजन आहेत. सिलिकॉनच्या संरचनेचा अधिक तपास करण्यासाठी, एक्स-रे विवर्तन (XRD) चाचणी करण्यात आली आणि त्याचे परिणाम आकृती ४(ब) मध्ये दर्शविले आहेत. हे मटेरियल प्रामुख्याने ग्रॅफाइट आणि सिंगल-क्रिस्टल सिलिकॉनने बनलेले आहे, ज्यात सिलिकॉन ऑक्साईडची कोणतीही स्पष्ट वैशिष्ट्ये नाहीत. यावरून असे दिसून येते की एनर्जी स्पेक्ट्रम चाचणीमधील ऑक्सिजन घटक मुख्यत्वे सिलिकॉनच्या पृष्ठभागाच्या नैसर्गिक ऑक्सिडेशनमधून येतो. सिलिकॉन-कार्बन संमिश्र मटेरियलची नोंद S1 म्हणून केली आहे.

तयार केलेल्या सिलिकॉन-कार्बन मटेरियल S1 वर बटन-प्रकारच्या हाफ-सेलचे उत्पादन आणि चार्ज-डिस्चार्ज चाचण्या करण्यात आल्या. पहिला चार्ज-डिस्चार्ज वक्र आकृती ५ मध्ये दर्शविला आहे. रिव्हर्सिबल स्पेसिफिक कपॅसिटी १०००.८ mAh/g आहे, आणि पहिल्या सायकलची कार्यक्षमता ९३.९% इतकी उच्च आहे, जी साहित्यात नोंदवलेल्या प्री-लिथिएशनशिवाय बहुतेक सिलिकॉन-आधारित मटेरियल्सच्या पहिल्या कार्यक्षमतेपेक्षा जास्त आहे. ही उच्च पहिली कार्यक्षमता दर्शवते की तयार केलेल्या सिलिकॉन-कार्बन कंपोझिट मटेरियलमध्ये उच्च स्थिरता आहे. सिलिकॉन-कार्बन मटेरियल्सच्या स्थिरतेवर सच्छिद्र रचना, प्रवाहकीय जाळे आणि कार्बन कोटिंगच्या परिणामांची पडताळणी करण्यासाठी, CNT न घालता आणि प्राथमिक कार्बन कोटिंगशिवाय दोन प्रकारचे सिलिकॉन-कार्बन मटेरियल्स तयार करण्यात आले.

सीएनटी न घालता तयार केलेल्या सिलिकॉन-कार्बन संयुक्त पदार्थाच्या कार्बनीकृत पावडरची आकारिकी आकृती ६ मध्ये दर्शविली आहे. द्रव अवस्थेतील लेपन आणि कार्बनीकरणानंतर, आकृती ६(अ) मधील दुय्यम कणांच्या पृष्ठभागावर एक लेपन थर स्पष्टपणे दिसतो. कार्बनीकृत पदार्थाचे छेद-दृश्य एसईएम (SEM) आकृती ६(ब) मध्ये दर्शविले आहे. सिलिकॉन नॅनोशीटच्या रचनेत सच्छिद्र वैशिष्ट्ये आहेत आणि बीईटी (BET) चाचणी १६.६ m²/g आहे. तथापि, सीएनटी असलेल्या स्थितीच्या तुलनेत [आकृती ३(ड) मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, त्याच्या कार्बनीकृत पावडरची बीईटी चाचणी २२.३ m²/g आहे], अंतर्गत नॅनो-सिलिकॉन रचनेची घनता जास्त आहे, जे दर्शवते की सीएनटीच्या समावेशामुळे सच्छिद्र संरचनेच्या निर्मितीस चालना मिळू शकते. याव्यतिरिक्त, या पदार्थात सीएनटीद्वारे तयार केलेले त्रि-मितीय प्रवाहकीय जाळे नाही. या सिलिकॉन-कार्बन संयुक्त पदार्थाची नोंद एस२ (S2) म्हणून केली आहे.

सॉलिड-फेज कार्बन कोटिंगद्वारे तयार केलेल्या सिलिकॉन-कार्बन संयुक्त पदार्थाची आकारशास्त्रीय वैशिष्ट्ये आकृती ७ मध्ये दर्शविली आहेत. कार्बनीकरणानंतर, पृष्ठभागावर एक स्पष्ट कोटिंग थर तयार होतो, जसे आकृती ७(अ) मध्ये दाखवले आहे. आकृती ७(ब) मध्ये दिसते की आडव्या छेदात पट्ट्यांच्या आकाराचे नॅनोपार्टिकल्स आहेत, जे नॅनोशीट्सच्या आकारशास्त्रीय वैशिष्ट्यांशी सुसंगत आहे. नॅनोशीट्सच्या संचयामुळे एक सच्छिद्र रचना तयार होते. आतील नॅनोशीट्सच्या पृष्ठभागावर कोणताही स्पष्ट फिलर नाही, यावरून असे सूचित होते की सॉलिड-फेज कार्बन कोटिंगमुळे केवळ सच्छिद्र रचनेसह एक कार्बन कोटिंग थर तयार होतो आणि सिलिकॉन नॅनोशीट्ससाठी कोणताही अंतर्गत कोटिंग थर नसतो. या सिलिकॉन-कार्बन संयुक्त पदार्थाची नोंद S3 म्हणून केली आहे.

S2 आणि S3 वर बटन-प्रकारची हाफ-सेल चार्ज आणि डिस्चार्ज चाचणी घेण्यात आली. S2 ची विशिष्ट क्षमता आणि पहिली कार्यक्षमता अनुक्रमे 1120.2 mAh/g आणि 84.8% होती, तर S3 ची विशिष्ट क्षमता आणि पहिली कार्यक्षमता अनुक्रमे 882.5 mAh/g आणि 82.9% होती. सॉलिड-फेज कोटेड S3 नमुन्याची विशिष्ट क्षमता आणि पहिली कार्यक्षमता सर्वात कमी होती. यावरून असे दिसून येते की, केवळ सच्छिद्र संरचनेवर कार्बन कोटिंग केले गेले होते आणि अंतर्गत सिलिकॉन नॅनोशीटवर कार्बन कोटिंग केले गेले नव्हते. यामुळे सिलिकॉन-आधारित पदार्थाच्या विशिष्ट क्षमतेचा पुरेपूर वापर होऊ शकला नाही आणि सिलिकॉन-आधारित पदार्थाच्या पृष्ठभागाचे संरक्षणही होऊ शकले नाही. CNT शिवाय असलेल्या S2 नमुन्याची पहिली कार्यक्षमता देखील CNT असलेल्या सिलिकॉन-कार्बन संमिश्र पदार्थापेक्षा कमी होती. यावरून असे दिसून येते की, चांगल्या कोटिंग लेयरच्या आधारावर, प्रवाहकीय जाळे आणि उच्च दर्जाची सच्छिद्र रचना सिलिकॉन-कार्बन पदार्थाच्या चार्ज आणि डिस्चार्ज कार्यक्षमतेत सुधारणा करण्यास अनुकूल ठरते.

रेट परफॉर्मन्स आणि सायकल परफॉर्मन्स तपासण्यासाठी S1 सिलिकॉन-कार्बन मटेरियल वापरून एक छोटी सॉफ्ट-पॅक फुल बॅटरी बनवण्यात आली. डिस्चार्ज रेट कर्व्ह आकृती 8(a) मध्ये दाखवला आहे. 0.2C, 0.5C, 1C, 2C आणि 3C ची डिस्चार्ज क्षमता अनुक्रमे 2.970, 2.999, 2.920, 2.176 आणि 1.021 Ah आहे. 1C डिस्चार्ज रेट 98.3% इतका जास्त आहे, परंतु 2C डिस्चार्ज रेट 73.3% पर्यंत खाली येतो आणि 3C डिस्चार्ज रेट आणखी कमी होऊन 34.4% होतो. सिलिकॉन निगेटिव्ह इलेक्ट्रोड एक्सचेंज ग्रुपमध्ये सामील होण्यासाठी, कृपया WeChat: shimobang ॲड करा. चार्जिंग दराच्या बाबतीत, 0.2C, 0.5C, 1C, 2C आणि 3C चार्जिंग क्षमता अनुक्रमे 3.186, 3.182, 3.081, 2.686 आणि 2.289 Ah आहेत. 1C चार्जिंग दर 96.7% आहे, आणि 2C चार्जिंग दर देखील 84.3% पर्यंत पोहोचतो. तथापि, आकृती 8(b) मधील चार्जिंग वक्राचे निरीक्षण केल्यास, 2C चार्जिंग प्लॅटफॉर्म 1C चार्जिंग प्लॅटफॉर्मपेक्षा लक्षणीयरीत्या मोठा आहे आणि त्याची स्थिर व्होल्टेज चार्जिंग क्षमता सर्वाधिक (55%) आहे, जे दर्शवते की 2C रिचार्जेबल बॅटरीचे ध्रुवीकरण आधीच खूप मोठे आहे. सिलिकॉन-कार्बन मटेरियलची 1C वर चार्जिंग आणि डिस्चार्जिंगची कामगिरी चांगली आहे, परंतु उच्च दराची कामगिरी साध्य करण्यासाठी मटेरियलच्या संरचनात्मक वैशिष्ट्यांमध्ये आणखी सुधारणा करणे आवश्यक आहे. आकृती 9 मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, 450 सायकलनंतर, क्षमता टिकवून ठेवण्याचा दर 78% आहे, जो चांगली सायकल कामगिरी दर्शवतो.

सायकलच्या आधी आणि नंतर इलेक्ट्रोडच्या पृष्ठभागाच्या स्थितीचे SEM द्वारे परीक्षण करण्यात आले आणि त्याचे परिणाम आकृती १० मध्ये दर्शविले आहेत. सायकलच्या आधी, ग्रॅफाइट आणि सिलिकॉन-कार्बन पदार्थांचा पृष्ठभाग स्वच्छ असतो [आकृती १०(अ)]; सायकलनंतर, पृष्ठभागावर एक कोटिंग थर स्पष्टपणे तयार झालेला दिसतो [आकृती १०(ब)], जो एक जाड SEI थर आहे. SEI थराच्या खडबडीतपणामुळे सक्रिय लिथियमचा वापर जास्त होतो, जे सायकलच्या कार्यक्षमतेसाठी अनुकूल नाही. म्हणून, गुळगुळीत SEI थराच्या निर्मितीला प्रोत्साहन दिल्यास (जसे की कृत्रिम SEI थराची निर्मिती, योग्य इलेक्ट्रोलाइट ॲडिटिव्ह्ज टाकणे इत्यादी) सायकलची कार्यक्षमता सुधारू शकते. सायकलनंतर सिलिकॉन-कार्बन कणांच्या क्रॉस-सेक्शनल SEM निरीक्षणातून [आकृती १०(क)] असे दिसून येते की मूळ पट्ट्याच्या आकाराचे सिलिकॉन नॅनोपार्टिकल्स अधिक जाड झाले आहेत आणि सच्छिद्र रचना मूलतः नाहीशी झाली आहे. हे मुख्यत्वे सायकल दरम्यान सिलिकॉन-कार्बन पदार्थाच्या सततच्या आकारमानाच्या विस्तार आणि आकुंचनामुळे होते. म्हणून, सिलिकॉन-आधारित पदार्थाच्या आकारमानाच्या विस्तारासाठी पुरेशी बफर जागा उपलब्ध करून देण्यासाठी सच्छिद्र रचना आणखी वाढवणे आवश्यक आहे.

३ निष्कर्ष

सिलिकॉन-आधारित निगेटिव्ह इलेक्ट्रोड सामग्रीच्या आकारमान विस्तार, कमी चालकता आणि कमी इंटरफेस स्थिरतेच्या आधारावर, हा शोधनिबंध सिलिकॉन नॅनोशीटच्या आकारिकी घडणीपासून, सच्छिद्र संरचनेची निर्मिती, प्रवाहकीय नेटवर्कची निर्मिती आणि संपूर्ण दुय्यम कणांवर संपूर्ण कार्बन कोटिंगपर्यंत लक्ष्यित सुधारणा करतो, जेणेकरून सिलिकॉन-आधारित निगेटिव्ह इलेक्ट्रोड सामग्रीची एकूण स्थिरता सुधारता येईल. सिलिकॉन नॅनोशीटच्या संचयामुळे एक सच्छिद्र संरचना तयार होऊ शकते. सीएनटीच्या समावेशामुळे सच्छिद्र संरचनेच्या निर्मितीला आणखी चालना मिळेल. द्रव अवस्थेतील कोटिंगद्वारे तयार केलेल्या सिलिकॉन-कार्बन संमिश्र सामग्रीमध्ये घन अवस्थेतील कोटिंगद्वारे तयार केलेल्या सामग्रीपेक्षा दुप्पट कार्बन कोटिंगचा प्रभाव असतो आणि ती उच्च विशिष्ट क्षमता व प्रथम कार्यक्षमता दर्शवते. याव्यतिरिक्त, सीएनटी असलेल्या सिलिकॉन-कार्बन संमिश्र सामग्रीची प्रथम कार्यक्षमता सीएनटी नसलेल्या सामग्रीपेक्षा जास्त असते, जे प्रामुख्याने सच्छिद्र संरचनेच्या सिलिकॉन-आधारित सामग्रीचा आकारमान विस्तार कमी करण्याच्या उच्च क्षमतेमुळे आहे. सीएनटीच्या समावेशामुळे एक त्रि-आयामी प्रवाहकीय नेटवर्क तयार होईल, सिलिकॉन-आधारित सामग्रीची चालकता सुधारेल आणि 1C वर चांगली दर कामगिरी दर्शवेल; तसेच ही सामग्री चांगली चक्र कामगिरी दर्शवते. तथापि, सिलिकॉनच्या आकारमान विस्तारासाठी पुरेशी बफर जागा उपलब्ध करून देण्यासाठी आणि गुळगुळीत पृष्ठभागाच्या निर्मितीस चालना देण्यासाठी, पदार्थाच्या सच्छिद्र संरचनेला आणखी बळकट करणे आवश्यक आहे.आणि सिलिकॉन-कार्बन संयुक्त पदार्थाची चक्राकार कार्यक्षमता आणखी सुधारण्यासाठी दाट SEI फिल्म.

आम्ही उच्च-शुद्धतेचे ग्रॅफाइट आणि सिलिकॉन कार्बाइड उत्पादने देखील पुरवतो, ज्यांचा वापर ऑक्सिडेशन, डिफ्यूजन आणि ॲनीलिंग यांसारख्या वेफर प्रक्रियेमध्ये मोठ्या प्रमाणावर केला जातो.

पुढील चर्चेसाठी जगभरातील सर्व ग्राहकांचे आमच्याकडे स्वागत आहे!

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