நுண்துளை சிலிக்கான் கார்பன் கலப்புப் பொருட்களின் தயாரிப்பு மற்றும் செயல்திறன் மேம்பாடு

லித்தியம்-அயன் மின்கலங்கள் முக்கியமாக அதிக ஆற்றல் அடர்த்தியை நோக்கிய திசையில் வளர்ந்து வருகின்றன. அறை வெப்பநிலையில், சிலிக்கான் அடிப்படையிலான எதிர்மின்முனைப் பொருட்கள் லித்தியத்துடன் கலப்புலோகம் ஆகி, லித்தியம் செறிந்த தயாரிப்பான Li3.75Si கட்டத்தை உருவாக்குகின்றன. இதன் குறிப்பிட்ட கொள்ளளவு 3572 mAh/g வரை உள்ளது, இது கிராஃபைட் எதிர்மின்முனையின் கோட்பாட்டு ரீதியான குறிப்பிட்ட கொள்ளளவான 372 mAh/g-ஐ விட மிகவும் அதிகம். இருப்பினும், சிலிக்கான் அடிப்படையிலான எதிர்மின்முனைப் பொருட்களின் தொடர்ச்சியான மின்னேற்றம் மற்றும் மின்னிறக்கச் செயல்பாட்டின் போது, ​​Si மற்றும் Li3.75Si-இன் கட்ட மாற்றம் மிகப்பெரிய கன அளவு விரிவாக்கத்தை (சுமார் 300%) ஏற்படுத்தக்கூடும். இது மின்முனைப் பொருட்களின் கட்டமைப்புத் தூளாக்கத்திற்கும், SEI படலத்தின் தொடர்ச்சியான உருவாக்கத்திற்கும் வழிவகுத்து, இறுதியில் கொள்ளளவு வேகமாக குறையக் காரணமாகிறது. இந்தத் தொழில் துறை முக்கியமாக நானோ-அளவாக்கம், கார்பன் பூச்சு, துளை உருவாக்கம் மற்றும் பிற தொழில்நுட்பங்கள் மூலம் சிலிக்கான் அடிப்படையிலான எதிர்மின்முனைப் பொருட்களின் செயல்திறனையும், சிலிக்கான் அடிப்படையிலான மின்கலங்களின் நிலைத்தன்மையையும் மேம்படுத்துகிறது.

கார்பன் பொருட்கள் நல்ல கடத்துத்திறன், குறைந்த விலை மற்றும் பரந்த மூலங்களைக் கொண்டுள்ளன. அவை சிலிக்கான் அடிப்படையிலான பொருட்களின் கடத்துத்திறனையும் மேற்பரப்பு நிலைத்தன்மையையும் மேம்படுத்தும் திறன் கொண்டவை. சிலிக்கான் அடிப்படையிலான எதிர்மின்முனைகளின் செயல்திறனை மேம்படுத்தும் சேர்க்கைப் பொருட்களாக அவை முன்னுரிமையுடன் பயன்படுத்தப்படுகின்றன. சிலிக்கான்-கார்பன் பொருட்கள், சிலிக்கான் அடிப்படையிலான எதிர்மின்முனைகளின் முக்கிய வளர்ச்சித் திசையாகும். கார்பன் பூச்சு, சிலிக்கான் அடிப்படையிலான பொருட்களின் மேற்பரப்பு நிலைத்தன்மையை மேம்படுத்த முடியும், ஆனால் சிலிக்கானின் கன அளவு விரிவாக்கத்தைத் தடுக்கும் அதன் திறன் பொதுவானதே, மேலும் அது சிலிக்கானின் கன அளவு விரிவாக்கப் பிரச்சனையைத் தீர்க்க முடியாது. எனவே, சிலிக்கான் அடிப்படையிலான பொருட்களின் நிலைத்தன்மையை மேம்படுத்துவதற்காக, நுண்துளைக் கட்டமைப்புகளை உருவாக்க வேண்டியுள்ளது. பந்து அரைத்தல் (Ball milling) என்பது நானோபொருட்களைத் தயாரிப்பதற்கான ஒரு தொழில்மயமாக்கப்பட்ட முறையாகும். கூட்டுப் பொருளின் வடிவமைப்புத் தேவைகளுக்கு ஏற்ப, பந்து அரைத்தல் மூலம் பெறப்பட்ட கூழ்மத்தில் (slurry) வெவ்வேறு சேர்க்கைப் பொருட்கள் அல்லது மூலப்பொருள் கூறுகளைச் சேர்க்கலாம். அந்தக் கூழ்மம் பல்வேறு வழிகளில் சீராகப் பரப்பப்பட்டு, தெளித்து உலர்த்தப்படுகிறது. இந்த உடனடி உலர்த்தும் செயல்முறையின் போது, ​​கூழ்மத்தில் உள்ள நானோ துகள்கள் மற்றும் பிற கூறுகள் தன்னிச்சையாக நுண்துளைக் கட்டமைப்புப் பண்புகளை உருவாக்கும். இந்த ஆய்வுக் கட்டுரை, நுண்துளைகள் கொண்ட சிலிக்கான் அடிப்படையிலான பொருட்களைத் தயாரிக்க, தொழில்மயமாக்கப்பட்ட மற்றும் சுற்றுச்சூழலுக்கு உகந்த பந்து அரைத்தல் மற்றும் தெளித்து உலர்த்தும் தொழில்நுட்பத்தைப் பயன்படுத்துகிறது.

சிலிக்கான் நானோபொருட்களின் உருவவியல் மற்றும் பரவல் பண்புகளை ஒழுங்குபடுத்துவதன் மூலம் சிலிக்கான் அடிப்படையிலான பொருட்களின் செயல்திறனையும் மேம்படுத்த முடியும். தற்போது, ​​சிலிக்கான் நானோ தண்டுகள், நுண்துளை கிராஃபைட் பதிக்கப்பட்ட நானோசிலிக்கான், கார்பன் கோளங்களில் பரவியுள்ள நானோசிலிக்கான், சிலிக்கான்/கிராஃபீன் வரிசை நுண்துளை கட்டமைப்புகள் போன்ற பல்வேறு உருவவியல் மற்றும் பரவல் பண்புகளைக் கொண்ட சிலிக்கான் அடிப்படையிலான பொருட்கள் தயாரிக்கப்பட்டுள்ளன. அதே அளவில், நானோ துகள்களுடன் ஒப்பிடும்போது, ​​நானோ தாள்கள் கன அளவு விரிவாக்கத்தால் ஏற்படும் நசுங்கும் சிக்கலை சிறப்பாக அடக்க முடியும், மேலும் அந்தப் பொருள் அதிக சுருக்க அடர்த்தியைக் கொண்டுள்ளது. நானோ தாள்களின் ஒழுங்கற்ற அடுக்கானது ஒரு நுண்துளை கட்டமைப்பையும் உருவாக்க முடியும். சிலிக்கான் எதிர்மின்முனை பரிமாற்றக் குழுவை இணைக்க. சிலிக்கான் பொருட்களின் கன அளவு விரிவாக்கத்திற்கு ஒரு இடையக இடத்தை வழங்குகிறது. கார்பன் நானோகுழாய்களை (CNTs) அறிமுகப்படுத்துவது பொருளின் கடத்துத்திறனை மேம்படுத்துவது மட்டுமல்லாமல், அதன் ஒரு பரிமாண உருவவியல் பண்புகள் காரணமாக பொருளின் நுண்துளை கட்டமைப்புகளின் உருவாக்கத்தையும் ஊக்குவிக்கிறது. சிலிக்கான் நானோ தாள்கள் மற்றும் CNT-களால் உருவாக்கப்பட்ட நுண்துளை கட்டமைப்புகள் குறித்த எந்த அறிக்கைகளும் இல்லை. இந்த ஆய்வுக் கட்டுரை, தொழில்துறையில் பயன்படுத்தக்கூடிய பந்து அரைத்தல், அரைத்து சிதறடித்தல், தெளித்து உலர்த்துதல், கார்பன் முன்-பூச்சு மற்றும் சுட்டெரித்தல் ஆகிய முறைகளைப் பயன்படுத்துகிறது. மேலும், சிலிக்கான் நானோ தாள்கள் மற்றும் கார்பன் நானோ குழாய்கள் (CNTs) சுய-ஒன்றிணைப்பு மூலம் உருவாகும் நுண்துளைகளுடைய சிலிக்கான் அடிப்படையிலான எதிர்மின்முனைப் பொருட்களைத் தயாரிப்பதற்காக, தயாரிப்புச் செயல்பாட்டில் நுண்துளை ஊக்குவிப்பான்களை அறிமுகப்படுத்துகிறது. இந்தத் தயாரிப்புச் செயல்முறை எளிமையானது, சுற்றுச்சூழலுக்கு உகந்தது, மேலும் எந்தக் கழிவுத் திரவமோ அல்லது கழிவு எச்சமோ உருவாக்கப்படுவதில்லை. சிலிக்கான் அடிப்படையிலான பொருட்களின் கார்பன் பூச்சு குறித்து பல ஆய்வறிக்கைகள் உள்ளன, ஆனால் பூச்சின் விளைவு குறித்த ஆழமான விவாதங்கள் குறைவாகவே உள்ளன. இந்த ஆய்வுக் கட்டுரை, கார்பன் மூலமாக நிலக்கீலைப் பயன்படுத்தி, திரவ நிலை பூச்சு மற்றும் திட நிலை பூச்சு ஆகிய இரண்டு கார்பன் பூச்சு முறைகளின் விளைவுகளை, சிலிக்கான் அடிப்படையிலான எதிர்மின்முனைப் பொருட்களின் பூச்சு விளைவு மற்றும் செயல்திறன் மீது ஆராய்கிறது.

1 பரிசோதனை

1.1 பொருள் தயாரிப்பு

நுண்துளைகள் கொண்ட சிலிக்கான்-கார்பன் கலப்புப் பொருட்களைத் தயாரிப்பதில் முக்கியமாக ஐந்து படிகள் உள்ளன: பந்து அரைத்தல், அரைத்து சிதறடித்தல், தெளித்து உலர்த்துதல், கார்பன் முன்-பூச்சு மற்றும் கார்பனாக்குதல். முதலில், 500 கிராம் ஆரம்ப சிலிக்கான் தூளை (உள்நாட்டு, 99.99% தூய்மை) எடைபோட்டு, அதனுடன் 2000 கிராம் ஐசோபுரோப்பனாலைச் சேர்த்து, நானோ அளவிலான சிலிக்கான் கூழ்மத்தைப் பெறுவதற்காக, 24 மணி நேரத்திற்கு நிமிடத்திற்கு 2000 சுழற்சிகள் (r/min) என்ற பந்து அரைக்கும் வேகத்தில் ஈரமான பந்து அரைத்தல் செய்யப்படுகிறது. பெறப்பட்ட சிலிக்கான் கூழ்மம் ஒரு சிதறல் பரிமாற்றத் தொட்டிக்கு மாற்றப்பட்டு, சிலிக்கான்: கிராஃபைட் (ஷாங்காயில் தயாரிக்கப்பட்டது, பேட்டரி தரம்): கார்பன் நானோகுழாய்கள் (தியான்ஜினில் தயாரிக்கப்பட்டது, பேட்டரி தரம்): பாலிவினைல் பைரோலிடோன் (தியான்ஜினில் தயாரிக்கப்பட்டது, பகுப்பாய்வு தரம்) = 40:60:1.5:2 என்ற நிறை விகிதத்தின்படி பொருட்கள் சேர்க்கப்படுகின்றன. திடப்பொருளின் அளவைச் சரிசெய்ய ஐசோபுரோப்பனால் பயன்படுத்தப்படுகிறது, மேலும் திடப்பொருளின் அளவு 15% ஆக வடிவமைக்கப்பட்டுள்ளது. அரைத்தல் மற்றும் சிதறடித்தல் செயல்முறைகள் 4 மணி நேரத்திற்கு 3500 r/min என்ற சிதறல் வேகத்தில் செய்யப்படுகின்றன. CNT-கள் சேர்க்கப்படாத மற்றொரு தொகுதி கூழ்மங்கள் ஒப்பிடப்படுகின்றன, மேலும் மற்ற பொருட்கள் ஒரே மாதிரியானவை. பெறப்பட்ட சிதறடிக்கப்பட்ட கூழ்மம் பின்னர் ஒரு தெளிப்பு உலர்த்தல் ஊட்டத் தொட்டிக்கு மாற்றப்படுகிறது, மேலும் நைட்ரஜன்-பாதுகாக்கப்பட்ட சூழலில் தெளிப்பு உலர்த்தல் செய்யப்படுகிறது, இதன் உள்ளீட்டு மற்றும் வெளியீட்டு வெப்பநிலைகள் முறையே 180 மற்றும் 90 °C ஆகும். பின்னர், திட நிலை பூச்சு மற்றும் திரவ நிலை பூச்சு என இரண்டு வகையான கார்பன் பூச்சுகள் ஒப்பிடப்பட்டன. திட நிலை பூச்சு முறை பின்வருமாறு: தெளிப்பு உலர்த்தப்பட்ட தூளானது 20% நிலக்கீழ் தூளுடன் (கொரியாவில் தயாரிக்கப்பட்டது, D50 என்பது 5 μm) கலக்கப்படுகிறது, இது ஒரு இயந்திரக் கலக்கியில் 10 நிமிடங்களுக்குக் கலக்கப்படுகிறது, மேலும் முன்-பூசப்பட்ட தூளைப் பெறுவதற்காக கலக்கும் வேகம் 2000 r/min ஆகும். திரவ நிலை பூச்சு முறை பின்வருமாறு: தெளித்து உலர்த்தப்பட்ட தூளானது, 55% திடப்பொருளாக தூளில் கரைந்துள்ள 20% நிலக்கீலைக் கொண்ட சைலீன் கரைசலில் (தியான்ஜினில் தயாரிக்கப்பட்டது, பகுப்பாய்வு தரம்) சேர்க்கப்பட்டு, வெற்றிடத்தில் சீராகக் கலக்கப்படுகிறது. 85℃ வெப்பநிலையில் 4 மணி நேரத்திற்கு ஒரு வெற்றிட அடுப்பில் சுடப்பட்டு, பின்னர் கலப்பதற்காக ஒரு இயந்திரக் கலக்கியில் இடப்படுகிறது. கலக்கும் வேகம் 2000 r/min ஆகவும், கலக்கும் நேரம் 10 நிமிடங்களாகவும் இருந்து முன்-பூசப்பட்ட தூள் பெறப்படுகிறது. இறுதியாக, முன்-பூசப்பட்ட தூளானது, நைட்ரஜன் சூழலில் ஒரு சுழல் சூளையில் 5°C/min என்ற வெப்பமூட்டும் விகிதத்தில் சுடப்படுகிறது. இது முதலில் 2 மணி நேரத்திற்கு 550°C என்ற நிலையான வெப்பநிலையில் வைக்கப்பட்டு, பின்னர் தொடர்ந்து 800°C வரை வெப்பப்படுத்தப்பட்டு 2 மணி நேரத்திற்கு நிலையான வெப்பநிலையில் வைக்கப்பட்டு, பிறகு 100°C-க்குக் கீழே இயற்கையாகக் குளிர்விக்கப்பட்டு வெளியேற்றப்பட்டு ஒரு சிலிக்கான்-கார்பன் கலப்புப் பொருள் பெறப்படுகிறது.

1.2 பண்புக்கூறு முறைகள்

பொருளின் துகள் அளவுப் பரவல், ஒரு துகள் அளவு சோதனைக் கருவியைப் (மாஸ்டர்சைசர் 2000 பதிப்பு, இங்கிலாந்தில் தயாரிக்கப்பட்டது) பயன்படுத்திப் பகுப்பாய்வு செய்யப்பட்டது. ஒவ்வொரு படிநிலையிலும் பெறப்பட்ட தூள்களின் உருவமைப்பையும் அளவையும் ஆராய்வதற்காக, அவை ஸ்கேனிங் எலக்ட்ரான் நுண்ணோக்கி (ரெகுலஸ் 8220, ஜப்பானில் தயாரிக்கப்பட்டது) மூலம் சோதிக்கப்பட்டன. பொருளின் கட்டமைப்பு, ஒரு எக்ஸ்-கதிர் தூள் விளிம்புச்சிதறல் பகுப்பாய்வியைப் (D8 அட்வான்ஸ், ஜெர்மனியில் தயாரிக்கப்பட்டது) பயன்படுத்திப் பகுப்பாய்வு செய்யப்பட்டது, மேலும் பொருளின் தனிமக் கலவை ஒரு ஆற்றல் நிறமாலை பகுப்பாய்வியைப் பயன்படுத்திப் பகுப்பாய்வு செய்யப்பட்டது. பெறப்பட்ட சிலிக்கான்-கார்பன் கலப்புப் பொருள், CR2032 மாதிரியின் ஒரு பொத்தான் அரை-மின்கலத்தை உருவாக்கப் பயன்படுத்தப்பட்டது, மேலும் சிலிக்கான்-கார்பன்: SP: CNT: CMC: SBR ஆகியவற்றின் நிறை விகிதம் 92:2:2:1.5:2.5 ஆக இருந்தது. எதிர் மின்முனையானது ஒரு உலோக லித்தியம் தகடு ஆகும், மின்பகுளியானது ஒரு வணிகரீதியான மின்பகுளி (மாடல் 1901, கொரியாவில் தயாரிக்கப்பட்டது), செல்கார்டு 2320 சவ்வு பயன்படுத்தப்படுகிறது, மின்னேற்றம் மற்றும் மின்னிறக்க மின்னழுத்த வரம்பு 0.005-1.5 V, மின்னேற்றம் மற்றும் மின்னிறக்க மின்னோட்டம் 0.1 C (1C = 1A), மற்றும் மின்னிறக்கத் துண்டிப்பு மின்னோட்டம் 0.05 C ஆகும்.

சிலிக்கான்-கார்பன் கலப்புப் பொருட்களின் செயல்திறனை மேலும் ஆராய்வதற்காக, லேமினேட் செய்யப்பட்ட சிறிய சாஃப்ட்-பேக் பேட்டரி 408595 உருவாக்கப்பட்டது. நேர்மின்முனையாக NCM811 (ஹுனானில் தயாரிக்கப்பட்ட, பேட்டரி தரம் வாய்ந்தது) பயன்படுத்தப்படுகிறது, மற்றும் எதிர்மின்முனை கிராஃபைட் 8% சிலிக்கான்-கார்பன் பொருளுடன் கலக்கப்பட்டுள்ளது. நேர்மின்முனை கூழ்மக் கலவை 96% NCM811, 1.2% பாலிவினைலிடீன் ஃபுளோரைடு (PVDF), 2% கடத்தும் காரணி SP, 0.8% CNT ஆகியவற்றைக் கொண்டது, மேலும் NMP ஒரு பரப்பியாகப் பயன்படுத்தப்படுகிறது; எதிர்மின்முனை கூழ்மக் கலவை 96% கலப்பு எதிர்மின்முனைப் பொருள், 1.3% CMC, 1.5% SBR, 1.2% CNT ஆகியவற்றைக் கொண்டது, மேலும் நீர் ஒரு பரப்பியாகப் பயன்படுத்தப்படுகிறது. கலக்குதல், பூசுதல், உருட்டுதல், வெட்டுதல், லேமினேட் செய்தல், டேப் வெல்டிங், பேக்கேஜிங், பேக்கிங், திரவ உட்செலுத்துதல், உருவாக்கம் மற்றும் கொள்ளளவுப் பிரிப்பு ஆகியவற்றுக்குப் பிறகு, 3 Ah மதிப்பிடப்பட்ட கொள்ளளவு கொண்ட 408595 லேமினேட் செய்யப்பட்ட சிறிய சாஃப்ட்-பேக் பேட்டரிகள் தயாரிக்கப்பட்டன. 0.2C, 0.5C, 1C, 2C மற்றும் 3C ஆகியவற்றின் வீதச் செயல்திறனும், 0.5C மின்னேற்றம் மற்றும் 1C மின்னிறக்கத்தின் சுழற்சிச் செயல்திறனும் சோதிக்கப்பட்டன. மின்னேற்றம் மற்றும் மின்னிறக்க மின்னழுத்த வரம்பு 2.8-4.2 V ஆகவும், மாறா மின்னோட்டம் மற்றும் மாறா மின்னழுத்த மின்னேற்றமாகவும், துண்டிப்பு மின்னோட்டம் 0.5C ஆகவும் இருந்தது.

2. முடிவுகள் மற்றும் கலந்துரையாடல்

ஆரம்ப சிலிக்கான் தூள் ஸ்கேனிங் எலக்ட்ரான் மைக்ரோஸ்கோபி (SEM) மூலம் ஆய்வு செய்யப்பட்டது. படம் 1(a)-வில் காட்டப்பட்டுள்ளபடி, சிலிக்கான் தூள் 2μm-க்கும் குறைவான துகள் அளவுடன் ஒழுங்கற்ற துகள்களாக இருந்தது. பால் மில்லிங்கிற்குப் பிறகு, சிலிக்கான் தூளின் அளவு சுமார் 100 nm ஆகக் கணிசமாகக் குறைக்கப்பட்டது [படம் 1(b)]. துகள் அளவு சோதனையில், பால் மில்லிங்கிற்குப் பிறகு சிலிக்கான் தூளின் D50 110 nm ஆகவும், D90 175 nm ஆகவும் இருந்தது தெரியவந்தது. பால் மில்லிங்கிற்குப் பிறகு சிலிக்கான் தூளின் உருவமைப்பை கவனமாக ஆய்வு செய்ததில், அது ஒரு செதில் போன்ற அமைப்பைக் கொண்டிருப்பது தெரியவந்தது (இந்த செதில் போன்ற அமைப்பின் உருவாக்கம் பின்னர் குறுக்குவெட்டு SEM மூலம் மேலும் சரிபார்க்கப்படும்). எனவே, துகள் அளவு சோதனையிலிருந்து பெறப்பட்ட D90 தரவு, நானோ தாளின் நீளப் பரிமாணமாக இருக்க வேண்டும். SEM முடிவுகளுடன் சேர்த்துப் பார்க்கும்போது, ​​பெறப்பட்ட நானோ தாளின் அளவு, மின்னேற்றம் மற்றும் மின்னிறக்கத்தின் போது சிலிக்கான் தூள் உடைவதற்கான 150 nm என்ற முக்கியமான மதிப்பை விட குறைந்தபட்சம் ஒரு பரிமாணத்திலாவது சிறியதாக உள்ளது என்று தீர்மானிக்கலாம். படிக சிலிக்கானின் படிகத் தளங்களின் வெவ்வேறு பிரிதல் ஆற்றல்களே, செதில் போன்ற உருவமைப்பின் உருவாக்கத்திற்கு முக்கியக் காரணமாகும். அவற்றுள், சிலிக்கானின் {111} தளம், {100} மற்றும் {110} படிகத் தளங்களை விடக் குறைந்த பிரிதல் ஆற்றலைக் கொண்டுள்ளது. எனவே, இந்தப் படிகத் தளம் பந்து அரைத்தல் மூலம் மிக எளிதாக மெல்லியதாக்கப்பட்டு, இறுதியில் ஒரு செதில் போன்ற அமைப்பை உருவாக்குகிறது. இந்த செதில் போன்ற அமைப்பு, தளர்வான கட்டமைப்புகள் குவிவதற்கு உகந்ததாக இருப்பதுடன், சிலிக்கானின் கன அளவு விரிவாக்கத்திற்கு இடமளித்து, பொருளின் நிலைத்தன்மையையும் மேம்படுத்துகிறது.

நானோ-சிலிக்கான், CNT மற்றும் கிராஃபைட் ஆகியவற்றைக் கொண்ட கூழ்மம் தெளிக்கப்பட்டது, மேலும் தெளிப்பதற்கு முன்னும் பின்னும் இருந்த தூள் SEM மூலம் ஆய்வு செய்யப்பட்டது. முடிவுகள் படம் 2-இல் காட்டப்பட்டுள்ளன. தெளிப்பதற்கு முன் சேர்க்கப்பட்ட கிராஃபைட் மேட்ரிக்ஸ், 5 முதல் 20 μm அளவுள்ள ஒரு வழக்கமான செதில் அமைப்பைக் கொண்டுள்ளது [படம் 2(a)]. கிராஃபைட்டின் துகள் அளவுப் பரவல் சோதனை, D50 15μm என்பதைக் காட்டுகிறது. தெளித்த பிறகு பெறப்பட்ட தூள் ஒரு கோள வடிவத்தைக் கொண்டுள்ளது [படம் 2(b)], மேலும் தெளித்த பிறகு கிராஃபைட் ஒரு பூச்சு அடுக்கால் பூசப்பட்டுள்ளது என்பதைக் காணலாம். தெளித்த பிறகு தூளின் D50 26.2 μm ஆகும். இரண்டாம் நிலைத் துகள்களின் உருவவியல் பண்புகள் SEM மூலம் கவனிக்கப்பட்டன, இது நானோபொருட்களால் திரட்டப்பட்ட ஒரு தளர்வான நுண்துளை அமைப்பின் பண்புகளைக் காட்டுகிறது [படம் 2(c)]. நுண்துளை அமைப்பு, ஒன்றோடொன்று பின்னிப் பிணைந்த சிலிக்கான் நானோ தாள்கள் மற்றும் CNT-களால் ஆனது [படம் 2(d)], மேலும் சோதனை செய்யப்பட்ட குறிப்பிட்ட மேற்பரப்புப் பரப்பளவு (BET) 53.3 m2/g வரை அதிகமாக உள்ளது. எனவே, தெளித்த பிறகு, சிலிக்கான் நானோ தாள்கள் மற்றும் CNT-கள் தாமாகவே ஒன்றிணைந்து ஒரு நுண்துளை அமைப்பை உருவாக்குகின்றன.

நுண்துளை அடுக்கு திரவ கார்பன் பூச்சு கொண்டு பதப்படுத்தப்பட்டது, மேலும் கார்பன் பூச்சு முன்னோடி பிட்ச் மற்றும் கார்பனாக்கம் சேர்க்கப்பட்ட பிறகு, SEM ஆய்வு மேற்கொள்ளப்பட்டது. முடிவுகள் படம் 3-இல் காட்டப்பட்டுள்ளன. கார்பன் முன்-பூச்சுக்குப் பிறகு, இரண்டாம் நிலைத் துகள்களின் மேற்பரப்பு மென்மையாகவும், தெளிவான பூச்சு அடுக்கைக் கொண்டும் காணப்படுகிறது, மேலும் பூச்சு முழுமையடைகிறது, இது படம் 3(a) மற்றும் (b)-இல் காட்டப்பட்டுள்ளது. கார்பனாக்கத்திற்குப் பிறகு, மேற்பரப்பு பூச்சு அடுக்கு ஒரு நல்ல பூச்சு நிலையைத் தக்க வைத்துக் கொள்கிறது [படம் 3(c)]. கூடுதலாக, குறுக்குவெட்டு SEM படம் பட்டை வடிவ நானோ துகள்களைக் காட்டுகிறது [படம் 3(d)], இது நானோ தாள்களின் உருவவியல் பண்புகளுடன் ஒத்துப்போகிறது, மேலும் பந்து அரைத்தலுக்குப் பிறகு சிலிக்கான் நானோ தாள்கள் உருவானதை இது சரிபார்க்கிறது. மேலும், சில நானோ தாள்களுக்கு இடையில் நிரப்பிகள் இருப்பதையும் படம் 3(d) காட்டுகிறது. இது முக்கியமாக திரவ நிலை பூச்சு முறையைப் பயன்படுத்துவதால் ஏற்படுகிறது. நிலக்கரித் தார் கரைசல் பொருளுக்குள் ஊடுருவிச் செல்லும், அதனால் உள் சிலிக்கான் நானோ தாள்களின் மேற்பரப்பு ஒரு கார்பன் பூச்சு பாதுகாப்பு அடுக்கைப் பெறுகிறது. எனவே, திரவ நிலை பூச்சு முறையைப் பயன்படுத்துவதன் மூலம், இரண்டாம் நிலை துகள் பூச்சு விளைவைப் பெறுவதோடு, முதல் நிலை துகள் பூச்சின் இரட்டை கார்பன் பூச்சு விளைவையும் பெற முடியும். கார்பனாக்கப்பட்ட தூள் BET மூலம் சோதிக்கப்பட்டது, அதன் சோதனை முடிவு 22.3 மீ²/கி ஆக இருந்தது.

கார்பனாக்கப்பட்ட தூளானது குறுக்குவெட்டு ஆற்றல் நிறமாலை பகுப்பாய்வுக்கு (EDS) உட்படுத்தப்பட்டது, அதன் முடிவுகள் படம் 4(a)-வில் காட்டப்பட்டுள்ளன. மைக்ரான் அளவிலான மையப்பகுதி, கிராஃபைட் மேட்ரிக்ஸுடன் தொடர்புடைய C கூறாகும், மேலும் வெளிப்புறப் பூச்சில் சிலிக்கான் மற்றும் ஆக்ஸிஜன் உள்ளன. சிலிக்கானின் கட்டமைப்பை மேலும் ஆராய்வதற்காக, ஒரு எக்ஸ்-கதிர் விளிம்புச்சிதறல் (XRD) சோதனை நடத்தப்பட்டது, அதன் முடிவுகள் படம் 4(b)-வில் காட்டப்பட்டுள்ளன. இந்தப் பொருளானது முக்கியமாக கிராஃபைட் மற்றும் ஒற்றைப் படிக சிலிக்கானால் ஆனது, இதில் தெளிவான சிலிக்கான் ஆக்சைடு பண்புகள் எதுவும் இல்லை. இது, ஆற்றல் நிறமாலை சோதனையின் ஆக்ஸிஜன் கூறு முக்கியமாக சிலிக்கான் மேற்பரப்பின் இயற்கையான ஆக்சிஜனேற்றத்திலிருந்து வருகிறது என்பதைக் குறிக்கிறது. இந்த சிலிக்கான்-கார்பன் கலப்புப் பொருள் S1 எனப் பதிவு செய்யப்பட்டுள்ளது.

தயாரிக்கப்பட்ட சிலிக்கான்-கார்பன் பொருள் S1, பொத்தான் வகை அரை-மின்கல உற்பத்தி மற்றும் மின்னேற்ற-மின்னிறக்க சோதனைகளுக்கு உட்படுத்தப்பட்டது. முதல் மின்னேற்ற-மின்னிறக்க வளைகோடு படம் 5-இல் காட்டப்பட்டுள்ளது. மீளக்கூடிய குறிப்பிட்ட கொள்ளளவு 1000.8 mAh/g ஆகும், மற்றும் முதல் சுழற்சி செயல்திறன் 93.9% ஆக மிக அதிகமாக உள்ளது. இது, முன்-லித்தியமேற்றம் செய்யப்படாத பெரும்பாலான சிலிக்கான் அடிப்படையிலான பொருட்களின் முதல் செயல்திறனை விட அதிகமாகும். இந்த உயர் முதல் செயல்திறன், தயாரிக்கப்பட்ட சிலிக்கான்-கார்பன் கலவைப் பொருள் அதிக நிலைத்தன்மையைக் கொண்டுள்ளது என்பதைக் குறிக்கிறது. சிலிக்கான்-கார்பன் பொருட்களின் நிலைத்தன்மையில் நுண்துளை அமைப்பு, கடத்தும் வலைப்பின்னல் மற்றும் கார்பன் பூச்சு ஆகியவற்றின் விளைவுகளைச் சரிபார்க்கும் பொருட்டு, CNT சேர்க்காமலும் மற்றும் முதன்மை கார்பன் பூச்சு இல்லாமலும் இரண்டு வகையான சிலிக்கான்-கார்பன் பொருட்கள் தயாரிக்கப்பட்டன.

CNT சேர்க்கப்படாத சிலிக்கான்-கார்பன் கூட்டுப் பொருளின் கார்பனாக்கப்பட்ட தூளின் உருவவியல் படம் 6-இல் காட்டப்பட்டுள்ளது. திரவ நிலை பூச்சு மற்றும் கார்பனாக்கத்திற்குப் பிறகு, படம் 6(a)-இல் உள்ள இரண்டாம் நிலைத் துகள்களின் மேற்பரப்பில் ஒரு பூச்சு அடுக்கைத் தெளிவாகக் காணலாம். கார்பனாக்கப்பட்ட பொருளின் குறுக்குவெட்டு SEM படம் 6(b)-இல் காட்டப்பட்டுள்ளது. சிலிக்கான் நானோ தாள்களின் அடுக்கானது நுண்துளைப் பண்புகளைக் கொண்டுள்ளது, மற்றும் BET சோதனை 16.6 மீ²/கி ஆகும். இருப்பினும், CNT உடனான நிகழ்வுடன் ஒப்பிடும்போது [படம் 3(d)-இல் காட்டப்பட்டுள்ளபடி, அதன் கார்பனாக்கப்பட்ட தூளின் BET சோதனை 22.3 மீ²/கி ஆகும்], உள் நானோ-சிலிக்கான் அடுக்கின் அடர்த்தி அதிகமாக உள்ளது, இது CNT-ஐச் சேர்ப்பது ஒரு நுண்துளை அமைப்பின் உருவாக்கத்தை ஊக்குவிக்கும் என்பதைக் குறிக்கிறது. மேலும், இந்தப் பொருளில் CNT-ஆல் கட்டமைக்கப்பட்ட ஒரு முப்பரிமாண கடத்தும் வலைப்பின்னல் இல்லை. சிலிக்கான்-கார்பன் கூட்டுப் பொருள் S2 எனப் பதிவு செய்யப்பட்டுள்ளது.

திட-நிலை கார்பன் பூச்சு மூலம் தயாரிக்கப்பட்ட சிலிக்கான்-கார்பன் கூட்டுப் பொருளின் உருவவியல் பண்புகள் படம் 7-இல் காட்டப்பட்டுள்ளன. கார்பனாக்கத்திற்குப் பிறகு, படம் 7(a)-இல் காட்டப்பட்டுள்ளபடி, மேற்பரப்பில் ஒரு தெளிவான பூச்சு அடுக்கு உள்ளது. படம் 7(b)-இல், குறுக்குவெட்டில் பட்டை வடிவ நானோ துகள்கள் இருப்பது காட்டப்பட்டுள்ளது, இது நானோ தாள்களின் உருவவியல் பண்புகளுடன் ஒத்துப்போகிறது. நானோ தாள்களின் திரட்சி ஒரு நுண்துளை அமைப்பை உருவாக்குகிறது. உள் நானோ தாள்களின் மேற்பரப்பில் தெளிவான நிரப்பி எதுவும் இல்லை, இது திட-நிலை கார்பன் பூச்சானது நுண்துளை அமைப்புடன் கூடிய ஒரு கார்பன் பூச்சு அடுக்கை மட்டுமே உருவாக்குகிறது என்பதையும், சிலிக்கான் நானோ தாள்களுக்கு உள் பூச்சு அடுக்கு எதுவும் இல்லை என்பதையும் குறிக்கிறது. இந்த சிலிக்கான்-கார்பன் கூட்டுப் பொருள் S3 எனப் பதிவு செய்யப்பட்டுள்ளது.

S2 மற்றும் S3 மாதிரிகளில் பொத்தான் வகை அரை-மின்கல மின்னேற்றம் மற்றும் மின்னிறக்கச் சோதனை நடத்தப்பட்டது. S2-இன் குறிப்பிட்ட கொள்ளளவு மற்றும் முதல் செயல்திறன் முறையே 1120.2 mAh/g மற்றும் 84.8% ஆகவும், S3-இன் குறிப்பிட்ட கொள்ளளவு மற்றும் முதல் செயல்திறன் முறையே 882.5 mAh/g மற்றும் 82.9% ஆகவும் இருந்தன. திட-கட்ட பூச்சு செய்யப்பட்ட S3 மாதிரியின் குறிப்பிட்ட கொள்ளளவு மற்றும் முதல் செயல்திறன் மிகக் குறைவாக இருந்தன. இது, நுண்துளை அமைப்பின் மீது கார்பன் பூச்சு மட்டுமே செய்யப்பட்டது என்பதையும், உள்ளக சிலிக்கான் நானோதாள்களின் மீது கார்பன் பூச்சு செய்யப்படவில்லை என்பதையும் சுட்டிக்காட்டுகிறது. இதனால், சிலிக்கான் அடிப்படையிலான பொருளின் குறிப்பிட்ட கொள்ளளவை முழுமையாக வெளிப்படுத்த முடியவில்லை மற்றும் சிலிக்கான் அடிப்படையிலான பொருளின் மேற்பரப்பைப் பாதுகாக்க முடியவில்லை. CNT இல்லாத S2 மாதிரியின் முதல் செயல்திறனும், CNT-ஐக் கொண்ட சிலிக்கான்-கார்பன் கலப்புப் பொருளை விடக் குறைவாக இருந்தது. இது, ஒரு நல்ல பூச்சு அடுக்கின் அடிப்படையில், கடத்தும் வலைப்பின்னல் மற்றும் உயர் அளவிலான நுண்துளை அமைப்பு ஆகியவை சிலிக்கான்-கார்பன் பொருளின் மின்னேற்றம் மற்றும் மின்னிறக்க செயல்திறனை மேம்படுத்துவதற்கு உகந்தவை என்பதைக் காட்டுகிறது.

வீத செயல்திறன் மற்றும் சுழற்சி செயல்திறனை ஆய்வு செய்வதற்காக, S1 சிலிக்கான்-கார்பன் பொருளைக் கொண்டு ஒரு சிறிய மென்-அடுக்கு முழு மின்கலம் உருவாக்கப்பட்டது. மின்னிறக்க வீத வளைகோடு படம் 8(a)-வில் காட்டப்பட்டுள்ளது. 0.2C, 0.5C, 1C, 2C மற்றும் 3C-யின் மின்னிறக்கத் திறன்கள் முறையே 2.970, 2.999, 2.920, 2.176 மற்றும் 1.021 Ah ஆகும். 1C மின்னிறக்க வீதம் 98.3% ஆக அதிகமாக உள்ளது, ஆனால் 2C மின்னிறக்க வீதம் 73.3% ஆகக் குறைகிறது, மேலும் 3C மின்னிறக்க வீதம் 34.4% ஆக மேலும் குறைகிறது. சிலிக்கான் எதிர்மின்முனைப் பரிமாற்றக் குழுவில் சேர, WeChat: shimobang-ஐ சேர்க்கவும். மின்னேற்ற விகிதத்தைப் பொறுத்தவரை, 0.2C, 0.5C, 1C, 2C மற்றும் 3C மின்னேற்றத் திறன்கள் முறையே 3.186, 3.182, 3.081, 2.686 மற்றும் 2.289 Ah ஆகும். 1C மின்னேற்ற விகிதம் 96.7% ஆகவும், 2C மின்னேற்ற விகிதம் 84.3% ஆகவும் உள்ளது. இருப்பினும், படம் 8(b)-இல் உள்ள மின்னேற்ற வளைவைக் கவனிக்கும்போது, ​​2C மின்னேற்றத் தளம் 1C மின்னேற்றத் தளத்தை விட கணிசமாகப் பெரியதாக உள்ளது, மேலும் அதன் நிலையான மின்னழுத்த மின்னேற்றத் திறன் பெரும்பகுதியை (55%) கொண்டுள்ளது, இது 2C மீள் மின்னேற்ற மின்கலத்தின் முனைவாக்கம் ஏற்கனவே மிகவும் பெரியதாக இருப்பதைக் குறிக்கிறது. சிலிக்கான்-கார்பன் பொருள் 1C-இல் நல்ல மின்னேற்ற மற்றும் மின்னிறக்கச் செயல்திறனைக் கொண்டுள்ளது, ஆனால் அதிக விகிதச் செயல்திறனை அடைய, பொருளின் கட்டமைப்புப் பண்புகள் மேலும் மேம்படுத்தப்பட வேண்டும். படம் 9-இல் காட்டப்பட்டுள்ளபடி, 450 சுழற்சிகளுக்குப் பிறகு, திறன் தக்கவைப்பு விகிதம் 78% ஆக உள்ளது, இது நல்ல சுழற்சிச் செயல்திறனைக் காட்டுகிறது.

சுழற்சிக்கு முன்னும் பின்னும் மின்முனையின் மேற்பரப்பு நிலை SEM மூலம் ஆராயப்பட்டது, அதன் முடிவுகள் படம் 10-இல் காட்டப்பட்டுள்ளன. சுழற்சிக்கு முன், கிராஃபைட் மற்றும் சிலிக்கான்-கார்பன் பொருட்களின் மேற்பரப்பு தெளிவாக உள்ளது [படம் 10(a)]; சுழற்சிக்குப் பிறகு, மேற்பரப்பில் ஒரு பூச்சு அடுக்கு தெளிவாக உருவாகியுள்ளது [படம் 10(b)], இது ஒரு தடிமனான SEI படலமாகும். SEI படலத்தின் சொரசொரப்புத்தன்மை காரணமாக, செயல்படும் லித்தியத்தின் நுகர்வு அதிகமாக உள்ளது, இது சுழற்சி செயல்திறனுக்கு உகந்ததல்ல. எனவே, ஒரு மென்மையான SEI படலத்தின் உருவாக்கத்தை ஊக்குவிப்பது (செயற்கை SEI படல உருவாக்கம், பொருத்தமான மின்பகுளி சேர்க்கைகளைச் சேர்த்தல் போன்றவை) சுழற்சி செயல்திறனை மேம்படுத்தும். சுழற்சிக்குப் பிறகு சிலிக்கான்-கார்பன் துகள்களின் குறுக்குவெட்டு SEM ஆய்வு [படம் 10(c)], அசல் பட்டை வடிவ சிலிக்கான் நானோ துகள்கள் பருமனாக மாறியிருப்பதையும், நுண்துளை அமைப்பு அடிப்படையில் நீக்கப்பட்டிருப்பதையும் காட்டுகிறது. இது முக்கியமாக சுழற்சியின் போது சிலிக்கான்-கார்பன் பொருளின் தொடர்ச்சியான கன அளவு விரிவாக்கம் மற்றும் சுருக்கத்தின் காரணமாகும். எனவே, சிலிக்கான் அடிப்படையிலான பொருளின் கன அளவு விரிவாக்கத்திற்கு போதுமான தாங்கல் இடத்தை வழங்க, நுண்துளை அமைப்பை மேலும் மேம்படுத்த வேண்டும்.

3 முடிவுரை

சிலிக்கான் அடிப்படையிலான எதிர்மின்முனைப் பொருட்களின் கன அளவு விரிவாக்கம், குறைந்த கடத்துத்திறன் மற்றும் மோசமான இடைமுக நிலைத்தன்மை ஆகியவற்றின் அடிப்படையில், சிலிக்கான் நானோதாள்களின் உருவமைப்பு வடிவமைத்தல், நுண்துளைக் கட்டமைப்பு உருவாக்கம், கடத்தும் வலைப்பின்னல் உருவாக்கம் மற்றும் அனைத்து இரண்டாம் நிலைத் துகள்களுக்கும் முழுமையான கார்பன் பூச்சு செய்தல் போன்ற இலக்கு சார்ந்த மேம்பாடுகளை இந்தக் கட்டுரை மேற்கொள்கிறது. இதன் மூலம் சிலிக்கான் அடிப்படையிலான எதிர்மின்முனைப் பொருட்களின் ஒட்டுமொத்த நிலைத்தன்மையை மேம்படுத்துவதை நோக்கமாகக் கொண்டுள்ளது. சிலிக்கான் நானோதாள்களின் திரட்சியானது ஒரு நுண்துளைக் கட்டமைப்பை உருவாக்க முடியும். கார்பன் நானோகுழாய்களின் (CNT) அறிமுகம், நுண்துளைக் கட்டமைப்பின் உருவாக்கத்தை மேலும் ஊக்குவிக்கும். திரவ நிலை பூச்சு மூலம் தயாரிக்கப்பட்ட சிலிக்கான்-கார்பன் கலவைப் பொருளானது, திட நிலை பூச்சு மூலம் தயாரிக்கப்பட்டதை விட இரட்டை கார்பன் பூச்சு விளைவைக் கொண்டுள்ளது, மேலும் அதிக குறிப்பிட்ட கொள்ளளவு மற்றும் முதல் செயல்திறனை வெளிப்படுத்துகிறது. கூடுதலாக, கார்பன் நானோகுழாய்களைக் கொண்ட சிலிக்கான்-கார்பன் கலவைப் பொருளின் முதல் செயல்திறன், கார்பன் நானோகுழாய்கள் இல்லாததை விட அதிகமாக உள்ளது. இதற்கு முக்கிய காரணம், நுண்துளைக் கட்டமைப்பின் அதிக அளவிலான திறனானது சிலிக்கான் அடிப்படையிலான பொருட்களின் கன அளவு விரிவாக்கத்தைக் குறைப்பதே ஆகும். கார்பன் நானோகுழாய்களின் அறிமுகம் ஒரு முப்பரிமாண கடத்தும் வலைப்பின்னலைக் கட்டமைத்து, சிலிக்கான் அடிப்படையிலான பொருட்களின் கடத்துத்திறனை மேம்படுத்தி, 1C-இல் நல்ல வீத செயல்திறனைக் காட்டும்; மேலும், இந்தப் பொருள் நல்ல சுழற்சி செயல்திறனையும் வெளிப்படுத்துகிறது. இருப்பினும், சிலிக்கானின் கன அளவு விரிவாக்கத்திற்குப் போதுமான இடைவெளியை வழங்குவதற்கும், ஒரு மென்மையான மேற்பரப்பு உருவாவதை ஊக்குவிப்பதற்கும், பொருளின் நுண்துளை அமைப்பு மேலும் வலுப்படுத்தப்பட வேண்டும்.மேலும், சிலிக்கான்-கார்பன் கலவைப் பொருளின் சுழற்சி செயல்திறனை மேலும் மேம்படுத்துவதற்காக அடர்த்தியான SEI படலமும் பயன்படுத்தப்படுகிறது.

ஆக்சிஜனேற்றம், பரவல் மற்றும் பதப்படுத்துதல் போன்ற வேஃபர் செயலாக்கத்தில் பரவலாகப் பயன்படுத்தப்படும் உயர் தூய்மை கொண்ட கிராஃபைட் மற்றும் சிலிக்கான் கார்பைடு தயாரிப்புகளையும் நாங்கள் வழங்குகிறோம்.

மேலதிக கலந்துரையாடலுக்காக, உலகெங்கிலும் உள்ள வாடிக்கையாளர்கள் அனைவரையும் எங்களைச் சந்திக்க வரவேற்கிறோம்!

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