పోరస్ సిలికాన్ కార్బన్ కాంపోజిట్ మెటీరియల్స్ తయారీ మరియు పనితీరు మెరుగుదల

లిథియం-అయాన్ బ్యాటరీలు ప్రధానంగా అధిక శక్తి సాంద్రత దిశగా అభివృద్ధి చెందుతున్నాయి. గది ఉష్ణోగ్రత వద్ద, సిలికాన్ ఆధారిత నెగటివ్ ఎలక్ట్రోడ్ పదార్థాలు లిథియంతో మిశ్రమమై లిథియం అధికంగా ఉండే Li3.75Si ఫేజ్‌ను ఉత్పత్తి చేస్తాయి. దీని నిర్దిష్ట సామర్థ్యం 3572 mAh/g వరకు ఉంటుంది, ఇది గ్రాఫైట్ నెగటివ్ ఎలక్ట్రోడ్ యొక్క సైద్ధాంతిక నిర్దిష్ట సామర్థ్యం 372 mAh/g కంటే చాలా ఎక్కువ. అయితే, సిలికాన్ ఆధారిత నెగటివ్ ఎలక్ట్రోడ్ పదార్థాలను పదేపదే ఛార్జింగ్ మరియు డిశ్చార్జింగ్ చేసే ప్రక్రియలో, Si మరియు Li3.75Si యొక్క ఫేజ్ పరివర్తన వలన భారీ పరిమాణ విస్తరణ (సుమారు 300%) జరగవచ్చు. ఇది ఎలక్ట్రోడ్ పదార్థాల నిర్మాణాత్మక పొడిపడటానికి మరియు SEI ఫిల్మ్ నిరంతరం ఏర్పడటానికి దారితీస్తుంది, చివరికి సామర్థ్యం వేగంగా పడిపోవడానికి కారణమవుతుంది. ఈ పరిశ్రమ ప్రధానంగా నానో-సైజింగ్, కార్బన్ కోటింగ్, రంధ్రాల ఏర్పాటు మరియు ఇతర సాంకేతికతల ద్వారా సిలికాన్ ఆధారిత నెగటివ్ ఎలక్ట్రోడ్ పదార్థాల పనితీరును మరియు సిలికాన్ ఆధారిత బ్యాటరీల స్థిరత్వాన్ని మెరుగుపరుస్తుంది.

కార్బన్ పదార్థాలు మంచి వాహకత్వం, తక్కువ ధర మరియు విస్తృత వనరులను కలిగి ఉంటాయి. అవి సిలికాన్ ఆధారిత పదార్థాల వాహకత్వాన్ని మరియు ఉపరితల స్థిరత్వాన్ని మెరుగుపరుస్తాయి. సిలికాన్ ఆధారిత నెగటివ్ ఎలక్ట్రోడ్‌ల కోసం పనితీరును మెరుగుపరిచే సంకలితాలుగా వీటిని ప్రాధాన్యతగా ఉపయోగిస్తారు. సిలికాన్-కార్బన్ పదార్థాలు సిలికాన్ ఆధారిత నెగటివ్ ఎలక్ట్రోడ్‌ల అభివృద్ధిలో ప్రధాన దిశగా ఉన్నాయి. కార్బన్ పూత సిలికాన్ ఆధారిత పదార్థాల ఉపరితల స్థిరత్వాన్ని మెరుగుపరుస్తుంది, కానీ సిలికాన్ ఘనపరిమాణ వ్యాకోచాన్ని నిరోధించే దాని సామర్థ్యం సాధారణమైనది మరియు సిలికాన్ ఘనపరిమాణ వ్యాకోచ సమస్యను పరిష్కరించలేదు. అందువల్ల, సిలికాన్ ఆధారిత పదార్థాల స్థిరత్వాన్ని మెరుగుపరచడానికి, సచ్ఛిద్ర నిర్మాణాలను నిర్మించాల్సిన అవసరం ఉంది. బాల్ మిల్లింగ్ అనేది నానోపదార్థాలను తయారు చేయడానికి ఉపయోగించే ఒక పారిశ్రామిక పద్ధతి. మిశ్రమ పదార్థం యొక్క రూపకల్పన అవసరాలకు అనుగుణంగా, బాల్ మిల్లింగ్ ద్వారా పొందిన స్లర్రీకి వివిధ సంకలితాలను లేదా పదార్థ భాగాలను జోడించవచ్చు. ఈ స్లర్రీని వివిధ స్లర్రీల ద్వారా సమానంగా వ్యాపింపజేసి, స్ప్రే-డ్రై చేస్తారు. తక్షణ ఎండబెట్టే ప్రక్రియలో, స్లర్రీలోని నానోకణాలు మరియు ఇతర భాగాలు వాటంతట అవే సచ్ఛిద్ర నిర్మాణ లక్షణాలను ఏర్పరుస్తాయి. ఈ పత్రం పారిశ్రామిక మరియు పర్యావరణ అనుకూలమైన బాల్ మిల్లింగ్ మరియు స్ప్రే డ్రైయింగ్ సాంకేతికతను ఉపయోగించి సచ్ఛిద్ర సిలికాన్ ఆధారిత పదార్థాలను తయారు చేస్తుంది.

సిలికాన్ నానోమెటీరియల్స్ యొక్క స్వరూపం మరియు పంపిణీ లక్షణాలను నియంత్రించడం ద్వారా కూడా సిలికాన్ ఆధారిత పదార్థాల పనితీరును మెరుగుపరచవచ్చు. ప్రస్తుతం, సిలికాన్ నానోరాడ్లు, రంధ్రాలు గల గ్రాఫైట్ పొదిగిన నానోసిలికాన్, కార్బన్ గోళాలలో పంపిణీ చేయబడిన నానోసిలికాన్, సిలికాన్/గ్రాఫేన్ శ్రేణి రంధ్రాల నిర్మాణాలు మొదలైన వివిధ స్వరూపాలు మరియు పంపిణీ లక్షణాలతో కూడిన సిలికాన్ ఆధారిత పదార్థాలు తయారు చేయబడ్డాయి. అదే స్థాయిలో, నానోపార్టికల్స్‌తో పోలిస్తే, నానోషీట్లు ఘనపరిమాణ విస్తరణ వలన కలిగే నలిగిపోయే సమస్యను బాగా అణచివేయగలవు మరియు ఆ పదార్థం అధిక సంపీడన సాంద్రతను కలిగి ఉంటుంది. నానోషీట్ల యొక్క క్రమరహిత అమరిక కూడా ఒక రంధ్రాల నిర్మాణాన్ని ఏర్పరచగలదు. ఇది సిలికాన్ నెగటివ్ ఎలక్ట్రోడ్ మార్పిడి సమూహంతో కలుస్తుంది. సిలికాన్ పదార్థాల ఘనపరిమాణ విస్తరణకు ఒక బఫర్ స్థలాన్ని అందిస్తుంది. కార్బన్ నానోట్యూబ్‌లను (CNTs) ప్రవేశపెట్టడం వలన పదార్థం యొక్క వాహకతను మెరుగుపరచడమే కాకుండా, దాని ఏకమితీయ స్వరూప లక్షణాల కారణంగా పదార్థంలో రంధ్రాల నిర్మాణాలు ఏర్పడటాన్ని కూడా ప్రోత్సహిస్తుంది. సిలికాన్ నానోషీట్లు మరియు CNTల ద్వారా నిర్మించబడిన రంధ్రాల నిర్మాణాలపై ఎటువంటి నివేదికలు లేవు. ఈ పత్రం పారిశ్రామికంగా వర్తించే బాల్ మిల్లింగ్, గ్రైండింగ్ మరియు డిస్పర్షన్, స్ప్రే డ్రైయింగ్, కార్బన్ ప్రీ-కోటింగ్ మరియు కాల్సినేషన్ పద్ధతులను అవలంబించి, తయారీ ప్రక్రియలో పోరస్ ప్రమోటర్లను ప్రవేశపెట్టి, సిలికాన్ నానోషీట్లు మరియు CNTల స్వీయ-సమాహారం ద్వారా ఏర్పడిన పోరస్ సిలికాన్-ఆధారిత నెగటివ్ ఎలక్ట్రోడ్ పదార్థాలను తయారు చేస్తుంది. ఈ తయారీ ప్రక్రియ సరళమైనది, పర్యావరణ అనుకూలమైనది మరియు ఎటువంటి వ్యర్థ ద్రవం లేదా వ్యర్థ అవశేషాలు ఉత్పత్తి కావు. సిలికాన్-ఆధారిత పదార్థాల కార్బన్ కోటింగ్ పై అనేక సాహిత్య నివేదికలు ఉన్నప్పటికీ, కోటింగ్ ప్రభావంపై లోతైన చర్చలు చాలా తక్కువగా ఉన్నాయి. ఈ పత్రం కార్బన్ మూలంగా తారును ఉపయోగించి, ద్రవ దశ కోటింగ్ మరియు ఘన దశ కోటింగ్ అనే రెండు కార్బన్ కోటింగ్ పద్ధతుల ప్రభావాలను, సిలికాన్-ఆధారిత నెగటివ్ ఎలక్ట్రోడ్ పదార్థాల కోటింగ్ ప్రభావం మరియు పనితీరుపై పరిశోధిస్తుంది.

1 ప్రయోగం

1.1 పదార్థాల తయారీ

రంధ్రాలు గల సిలికాన్-కార్బన్ మిశ్రమ పదార్థాల తయారీలో ప్రధానంగా ఐదు దశలు ఉంటాయి: బాల్ మిల్లింగ్, గ్రైండింగ్ మరియు డిస్పర్షన్, స్ప్రే డ్రైయింగ్, కార్బన్ ప్రీ-కోటింగ్ మరియు కార్బనైజేషన్. మొదట, 500 గ్రాముల ప్రాథమిక సిలికాన్ పౌడర్‌ను (దేశీయ, 99.99% స్వచ్ఛత) తూచి, దానికి 2000 గ్రాముల ఐసోప్రొపనాల్ కలిపి, నానో-స్కేల్ సిలికాన్ స్లర్రీని పొందడానికి 24 గంటల పాటు నిమిషానికి 2000 r/min బాల్ మిల్లింగ్ వేగంతో వెట్ బాల్ మిల్లింగ్ చేయాలి. పొందిన సిలికాన్ స్లర్రీని ఒక డిస్పర్షన్ ట్రాన్స్‌ఫర్ ట్యాంక్‌లోకి మార్చి, సిలికాన్: గ్రాఫైట్ (షాంఘైలో తయారైన, బ్యాటరీ గ్రేడ్): కార్బన్ నానోట్యూబ్స్ (టియాంజిన్‌లో తయారైన, బ్యాటరీ గ్రేడ్): పాలివినైల్ పిర్రోలిడోన్ (టియాంజిన్‌లో తయారైన, అనలిటికల్ గ్రేడ్) = 40:60:1.5:2 అనే ద్రవ్యరాశి నిష్పత్తి ప్రకారం పదార్థాలను కలుపుతారు. ఘన పదార్థాల శాతాన్ని సర్దుబాటు చేయడానికి ఐసోప్రొపనాల్‌ను ఉపయోగిస్తారు, మరియు ఈ ఘన పదార్థాల శాతం 15% ఉండేలా రూపొందించబడింది. గ్రైండింగ్ మరియు డిస్పర్షన్ ప్రక్రియలను 3500 r/min డిస్పర్షన్ వేగంతో 4 గంటల పాటు నిర్వహిస్తారు. CNTలను కలపని మరో స్లర్రీల సమూహాన్ని కూడా పోల్చడం జరిగింది, మరియు అందులోని ఇతర పదార్థాలు అవే. ఈ విధంగా పొందిన డిస్పర్స్‌డ్ స్లర్రీని ఒక స్ప్రే డ్రైయింగ్ ఫీడింగ్ ట్యాంక్‌లోకి బదిలీ చేసి, నైట్రోజన్-రక్షిత వాతావరణంలో స్ప్రే డ్రైయింగ్ చేస్తారు. దీనిలో ఇన్లెట్ మరియు అవుట్‌లెట్ ఉష్ణోగ్రతలు వరుసగా 180 మరియు 90 °C వద్ద ఉంటాయి. ఆ తర్వాత, సాలిడ్ ఫేజ్ కోటింగ్ మరియు లిక్విడ్ ఫేజ్ కోటింగ్ అనే రెండు రకాల కార్బన్ కోటింగ్‌లను పోల్చడం జరిగింది. సాలిడ్ ఫేజ్ కోటింగ్ పద్ధతి ఏమిటంటే: స్ప్రే-డ్రైడ్ పౌడర్‌ను 20% ఆస్ఫాల్ట్ పౌడర్‌తో (కొరియాలో తయారైనది, D50 5 μm) కలిపి, మెకానికల్ మిక్సర్‌లో 10 నిమిషాల పాటు, మరియు మిక్సింగ్ వేగం 2000 r/min వద్ద కలపడం ద్వారా ప్రీ-కోటెడ్ పౌడర్‌ను పొందుతారు. ద్రవ దశ పూత పద్ధతి: స్ప్రే-డ్రైడ్ పౌడర్‌ను, 55% ఘన పదార్థం ఉండేలా, పౌడర్‌లో 20% ఆస్ఫాల్ట్ కరిగించిన జైలీన్ ద్రావణంలో (టియాంజిన్‌లో తయారైన, అనలిటికల్ గ్రేడ్) వేసి, వాక్యూమ్‌లో సమానంగా కలుపుతారు. దీనిని 85℃ వద్ద వాక్యూమ్ ఓవెన్‌లో 4 గంటల పాటు బేక్ చేసి, కలపడం కోసం మెకానికల్ మిక్సర్‌లో వేస్తారు. మిక్సింగ్ వేగం నిమిషానికి 2000 r/min, మరియు మిక్సింగ్ సమయం 10 నిమిషాలుగా ఉంచి ప్రీ-కోటెడ్ పౌడర్‌ను పొందుతారు. చివరగా, ప్రీ-కోటెడ్ పౌడర్‌ను రోటరీ కిల్‌లో నైట్రోజన్ వాతావరణంలో నిమిషానికి 5°C వేడిచేసే రేటుతో కాల్సైన్ చేస్తారు. దీనిని మొదట 550°C స్థిర ఉష్ణోగ్రత వద్ద 2 గంటల పాటు ఉంచి, ఆపై 800°C వరకు వేడి చేసి, అక్కడ మరో 2 గంటల పాటు స్థిర ఉష్ణోగ్రత వద్ద ఉంచి, తరువాత సహజంగా 100°C కంటే తక్కువకు చల్లబరిచి, సిలికాన్-కార్బన్ మిశ్రమ పదార్థాన్ని పొందడానికి డిశ్చార్జ్ చేస్తారు.

1.2 లక్షణీకరణ పద్ధతులు

పదార్థం యొక్క కణ పరిమాణ పంపిణీని కణ పరిమాణ పరీక్షా పరికరం (మాస్టర్‌సైజర్ 2000 వెర్షన్, UKలో తయారైనది) ఉపయోగించి విశ్లేషించారు. ప్రతి దశలో పొందిన పొడుల స్వరూపాన్ని మరియు పరిమాణాన్ని పరిశీలించడానికి, వాటిని స్కానింగ్ ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోస్కోపీ (రెగ్యులస్8220, జపాన్‌లో తయారైనది) ద్వారా పరీక్షించారు. పదార్థం యొక్క దశ నిర్మాణాన్ని ఎక్స్-రే పౌడర్ డిఫ్రాక్షన్ విశ్లేషకం (D8 అడ్వాన్స్, జర్మనీలో తయారైనది) ఉపయోగించి విశ్లేషించారు, మరియు పదార్థం యొక్క మూలక కూర్పును ఎనర్జీ స్పెక్ట్రమ్ విశ్లేషకం ఉపయోగించి విశ్లేషించారు. పొందిన సిలికాన్-కార్బన్ మిశ్రమ పదార్థాన్ని CR2032 మోడల్ బటన్ హాఫ్-సెల్ తయారు చేయడానికి ఉపయోగించారు, మరియు సిలికాన్-కార్బన్: SP: CNT: CMC: SBR యొక్క ద్రవ్యరాశి నిష్పత్తి 92:2:2:1.5:2.5గా ఉంది. కౌంటర్ ఎలక్ట్రోడ్ ఒక మెటల్ లిథియం షీట్, ఎలక్ట్రోలైట్ ఒక వాణిజ్య ఎలక్ట్రోలైట్ (మోడల్ 1901, కొరియాలో తయారైనది), సెల్‌గార్డ్ 2320 డయాఫ్రమ్ ఉపయోగించబడుతుంది, ఛార్జ్ మరియు డిశ్చార్జ్ వోల్టేజ్ పరిధి 0.005-1.5 V, ఛార్జ్ మరియు డిశ్చార్జ్ కరెంట్ 0.1 C (1C = 1A), మరియు డిశ్చార్జ్ కట్-ఆఫ్ కరెంట్ 0.05 C.

సిలికాన్-కార్బన్ మిశ్రమ పదార్థాల పనితీరును మరింతగా పరిశోధించడానికి, లామినేటెడ్ చిన్న సాఫ్ట్-ప్యాక్ బ్యాటరీ 408595 తయారు చేయబడింది. పాజిటివ్ ఎలక్ట్రోడ్ కోసం NCM811 (హునాన్‌లో తయారైన, బ్యాటరీ గ్రేడ్) ను, మరియు నెగటివ్ ఎలక్ట్రోడ్ గ్రాఫైట్‌కు 8% సిలికాన్-కార్బన్ పదార్థాన్ని డోపింగ్ చేశారు. పాజిటివ్ ఎలక్ట్రోడ్ స్లర్రీ ఫార్ములాలో 96% NCM811, 1.2% పాలివినైలిడీన్ ఫ్లోరైడ్ (PVDF), 2% వాహక కారకం SP, 0.8% CNT ఉంటాయి, మరియు NMP ని డిస్పర్సెంట్‌గా ఉపయోగించారు; నెగటివ్ ఎలక్ట్రోడ్ స్లర్రీ ఫార్ములాలో 96% మిశ్రమ నెగటివ్ ఎలక్ట్రోడ్ పదార్థం, 1.3% CMC, 1.5% SBR, 1.2% CNT ఉంటాయి, మరియు నీటిని డిస్పర్సెంట్‌గా ఉపయోగించారు. కలపడం, కోటింగ్, రోలింగ్, కటింగ్, లామినేషన్, ట్యాబ్ వెల్డింగ్, ప్యాకేజింగ్, బేకింగ్, లిక్విడ్ ఇంజెక్షన్, ఫార్మేషన్ మరియు కెపాసిటీ డివిజన్ ప్రక్రియల తర్వాత, 3 Ah రేటెడ్ కెపాసిటీ గల 408595 లామినేటెడ్ చిన్న సాఫ్ట్ ప్యాక్ బ్యాటరీలను సిద్ధం చేశారు. 0.2C, 0.5C, 1C, 2C మరియు 3C ల రేట్ పనితీరు మరియు 0.5C ఛార్జ్ మరియు 1C డిశ్చార్జ్ యొక్క సైకిల్ పనితీరును పరీక్షించడం జరిగింది. ఛార్జ్ మరియు డిశ్చార్జ్ వోల్టేజ్ పరిధి 2.8-4.2 V, స్థిర కరెంట్ మరియు స్థిర వోల్టేజ్ ఛార్జింగ్, మరియు కట్-ఆఫ్ కరెంట్ 0.5C గా ఉన్నాయి.

2 ఫలితాలు మరియు చర్చ

ప్రారంభ సిలికాన్ పౌడర్‌ను స్కానింగ్ ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోస్కోపీ (SEM) ద్వారా పరిశీలించారు. చిత్రం 1(a)లో చూపిన విధంగా, సిలికాన్ పౌడర్ 2μm కంటే తక్కువ కణ పరిమాణంతో క్రమరహితంగా రేణువులుగా ఉంది. బాల్ మిల్లింగ్ తర్వాత, సిలికాన్ పౌడర్ పరిమాణం గణనీయంగా తగ్గి సుమారు 100 nmకి చేరింది [చిత్రం 1(b)]. కణ పరిమాణ పరీక్షలో బాల్ మిల్లింగ్ తర్వాత సిలికాన్ పౌడర్ యొక్క D50 110 nm మరియు D90 175 nm అని తేలింది. బాల్ మిల్లింగ్ తర్వాత సిలికాన్ పౌడర్ యొక్క స్వరూపాన్ని జాగ్రత్తగా పరిశీలిస్తే, అది రేకుల వంటి నిర్మాణాన్ని చూపిస్తుంది (ఈ రేకుల వంటి నిర్మాణం ఏర్పడటాన్ని తర్వాత క్రాస్-సెక్షనల్ SEM ద్వారా మరింతగా ధృవీకరించబడుతుంది). అందువల్ల, కణ పరిమాణ పరీక్ష నుండి పొందిన D90 డేటా నానోషీట్ యొక్క పొడవు కొలత అయి ఉండాలి. SEM ఫలితాలతో కలిపి చూస్తే, పొందిన నానోషీట్ పరిమాణం, ఛార్జింగ్ మరియు డిశ్చార్జింగ్ సమయంలో సిలికాన్ పౌడర్ విరిగిపోయే 150 nm క్లిష్టమైన విలువ కంటే కనీసం ఒక కొలతలోనైనా చిన్నదిగా ఉందని నిర్ధారించవచ్చు. స్ఫటికాకార సిలికాన్ యొక్క క్రిస్టల్ ప్లేన్‌ల విభిన్న విఘటన శక్తుల కారణంగా ప్రధానంగా పొరల వంటి నిర్మాణం ఏర్పడుతుంది, వీటిలో సిలికాన్ యొక్క {111} ప్లేన్‌కు {100} మరియు {110} క్రిస్టల్ ప్లేన్‌ల కంటే తక్కువ విఘటన శక్తి ఉంటుంది. అందువల్ల, ఈ క్రిస్టల్ ప్లేన్ బాల్ మిల్లింగ్ ద్వారా మరింత సులభంగా పలుచబడుతుంది, మరియు చివరికి పొరల వంటి నిర్మాణాన్ని ఏర్పరుస్తుంది. ఈ పొరల వంటి నిర్మాణం వదులుగా ఉండే నిర్మాణాల సంచయానికి అనుకూలంగా ఉంటుంది, సిలికాన్ యొక్క ఘనపరిమాణ విస్తరణకు స్థలాన్ని కేటాయిస్తుంది, మరియు పదార్థం యొక్క స్థిరత్వాన్ని మెరుగుపరుస్తుంది.

నానో-సిలికాన్, CNT మరియు గ్రాఫైట్ కలిగిన స్లర్రీని స్ప్రే చేసి, స్ప్రే చేయడానికి ముందు మరియు తర్వాత పొడిని SEM ద్వారా పరిశీలించారు. ఫలితాలు పటం 2లో చూపబడ్డాయి. స్ప్రే చేయడానికి ముందు జోడించిన గ్రాఫైట్ మాతృక 5 నుండి 20 μm పరిమాణంతో ఒక సాధారణ రేకుల నిర్మాణాన్ని కలిగి ఉంది [పటం 2(a)]. గ్రాఫైట్ యొక్క కణ పరిమాణ పంపిణీ పరీక్షలో D50 15μm అని తేలింది. స్ప్రే చేసిన తర్వాత పొందిన పొడి గోళాకార రూపాన్ని కలిగి ఉంది [పటం 2(b)], మరియు స్ప్రే చేసిన తర్వాత గ్రాఫైట్ పూత పొరతో కప్పబడి ఉందని చూడవచ్చు. స్ప్రే చేసిన తర్వాత పొడి యొక్క D50 26.2 μm. ద్వితీయ కణాల రూపాత్మక లక్షణాలను SEM ద్వారా పరిశీలించగా, అవి నానోపదార్థాలతో పోగుపడిన వదులైన సచ్ఛిద్ర నిర్మాణ లక్షణాలను చూపించాయి [పటం 2(c)]. రంధ్రాల నిర్మాణం సిలికాన్ నానోషీట్లు మరియు CNTలు ఒకదానితో ఒకటి పెనవేసుకుని ఉండటంతో ఏర్పడింది [పటం 2(డి)], మరియు పరీక్ష నిర్దిష్ట ఉపరితల వైశాల్యం (BET) 53.3 m2/g అంత ఎక్కువగా ఉంది. అందువల్ల, స్ప్రే చేసిన తర్వాత, సిలికాన్ నానోషీట్లు మరియు CNTలు స్వయంగా కలిసి ఒక రంధ్రాల నిర్మాణాన్ని ఏర్పరుస్తాయి.

రంధ్రాల పొరను ద్రవ కార్బన్ పూతతో శుద్ధి చేశారు, మరియు కార్బన్ పూత పూర్వగామి పిచ్ మరియు కార్బనైజేషన్ జోడించిన తర్వాత, SEM పరిశీలన నిర్వహించబడింది. ఫలితాలు చిత్రం 3లో చూపబడ్డాయి. కార్బన్ పూర్వ-పూత తర్వాత, ద్వితీయ కణాల ఉపరితలం నునుపుగా మారుతుంది, స్పష్టమైన పూత పొరతో, మరియు పూత పూర్తవుతుంది, ఇది చిత్రాలు 3(a) మరియు (b)లో చూపబడింది. కార్బనైజేషన్ తర్వాత, ఉపరితల పూత పొర మంచి పూత స్థితిని నిర్వహిస్తుంది [చిత్రం 3(c)]. అదనంగా, క్రాస్-సెక్షనల్ SEM చిత్రం పట్టీ ఆకారపు నానోకణాలను చూపుతుంది [చిత్రం 3(d)], ఇవి నానోషీట్ల స్వరూప లక్షణాలకు అనుగుణంగా ఉంటాయి, బాల్ మిల్లింగ్ తర్వాత సిలికాన్ నానోషీట్ల ఏర్పాటును మరింతగా ధృవీకరిస్తాయి. అదనంగా, చిత్రం 3(d) కొన్ని నానోషీట్ల మధ్య పూరకాలు ఉన్నాయని చూపిస్తుంది. ఇది ప్రధానంగా ద్రవ దశ పూత పద్ధతిని ఉపయోగించడం వల్ల జరుగుతుంది. తారు ద్రావణం పదార్థంలోకి చొచ్చుకుపోతుంది, తద్వారా అంతర్గత సిలికాన్ నానోషీట్ల ఉపరితలం కార్బన్ పూత రక్షిత పొరను పొందుతుంది. అందువల్ల, ద్రవ దశ పూతను ఉపయోగించడం ద్వారా, ద్వితీయ కణ పూత ప్రభావాన్ని పొందడమే కాకుండా, ప్రాథమిక కణ పూత యొక్క ద్వంద్వ కార్బన్ పూత ప్రభావాన్ని కూడా పొందవచ్చు. కార్బనైజ్డ్ పౌడర్‌ను BET ద్వారా పరీక్షించగా, పరీక్ష ఫలితం 22.3 m2/gగా వచ్చింది.

కార్బనైజ్డ్ పౌడర్‌ను క్రాస్-సెక్షనల్ ఎనర్జీ స్పెక్ట్రమ్ అనాలిసిస్ (EDS)కు గురిచేయగా, ఫలితాలు చిత్రం 4(a)లో చూపబడ్డాయి. మైక్రాన్-పరిమాణపు కోర్ అనేది గ్రాఫైట్ మ్యాట్రిక్స్‌కు అనుగుణంగా ఉండే C కాంపోనెంట్, మరియు బయటి పూతలో సిలికాన్ మరియు ఆక్సిజన్ ఉన్నాయి. సిలికాన్ నిర్మాణాన్ని మరింతగా పరిశోధించడానికి, ఒక ఎక్స్-రే డిఫ్రాక్షన్ (XRD) పరీక్ష నిర్వహించబడింది, మరియు ఫలితాలు చిత్రం 4(b)లో చూపబడ్డాయి. ఈ పదార్థం ప్రధానంగా గ్రాఫైట్ మరియు సింగిల్-క్రిస్టల్ సిలికాన్‌తో కూడి ఉంది, ఇందులో స్పష్టమైన సిలికాన్ ఆక్సైడ్ లక్షణాలు లేవు. ఇది ఎనర్జీ స్పెక్ట్రమ్ పరీక్షలోని ఆక్సిజన్ కాంపోనెంట్ ప్రధానంగా సిలికాన్ ఉపరితలం యొక్క సహజ ఆక్సీకరణం నుండి వచ్చిందని సూచిస్తుంది. ఈ సిలికాన్-కార్బన్ కాంపోజిట్ మెటీరియల్‌ను S1గా నమోదు చేశారు.

తయారు చేయబడిన సిలికాన్-కార్బన్ పదార్థం S1 బటన్-రకం హాఫ్-సెల్ ఉత్పత్తికి మరియు ఛార్జ్-డిశ్చార్జ్ పరీక్షలకు గురి చేయబడింది. మొదటి ఛార్జ్-డిశ్చార్జ్ వక్రరేఖను పటం 5లో చూపించారు. రివర్సిబుల్ నిర్దిష్ట సామర్థ్యం 1000.8 mAh/g, మరియు మొదటి సైకిల్ సామర్థ్యం 93.9%గా ఉంది, ఇది సాహిత్యంలో నివేదించబడిన ప్రీ-లిథియేషన్ లేని చాలా సిలికాన్-ఆధారిత పదార్థాల మొదటి సామర్థ్యం కంటే ఎక్కువ. అధిక మొదటి సామర్థ్యం, ​​తయారు చేయబడిన సిలికాన్-కార్బన్ మిశ్రమ పదార్థం అధిక స్థిరత్వాన్ని కలిగి ఉందని సూచిస్తుంది. సిలికాన్-కార్బన్ పదార్థాల స్థిరత్వంపై పోరస్ నిర్మాణం, వాహక నెట్‌వర్క్ మరియు కార్బన్ కోటింగ్ యొక్క ప్రభావాలను ధృవీకరించడానికి, CNT కలపకుండా మరియు ప్రాథమిక కార్బన్ కోటింగ్ లేకుండా రెండు రకాల సిలికాన్-కార్బన్ పదార్థాలు తయారు చేయబడ్డాయి.

CNT కలపకుండా సిలికాన్-కార్బన్ మిశ్రమ పదార్థం యొక్క కార్బనైజ్డ్ పౌడర్ యొక్క స్వరూపాన్ని చిత్రం 6లో చూపించారు. ద్రవ దశ పూత మరియు కార్బనైజేషన్ తర్వాత, చిత్రం 6(a)లోని ద్వితీయ కణాల ఉపరితలంపై ఒక పూత పొరను స్పష్టంగా చూడవచ్చు. కార్బనైజ్డ్ పదార్థం యొక్క క్రాస్-సెక్షనల్ SEMను చిత్రం 6(b)లో చూపించారు. సిలికాన్ నానోషీట్‌ల అమరిక రంధ్రాల లక్షణాలను కలిగి ఉంది, మరియు BET పరీక్ష 16.6 m2/gగా ఉంది. అయితే, CNT ఉన్న సందర్భంతో పోలిస్తే [చిత్రం 3(d)లో చూపిన విధంగా, దాని కార్బనైజ్డ్ పౌడర్ యొక్క BET పరీక్ష 22.3 m2/g], అంతర్గత నానో-సిలికాన్ అమరిక సాంద్రత ఎక్కువగా ఉంది, ఇది CNT కలపడం రంధ్రాల నిర్మాణం ఏర్పడటాన్ని ప్రోత్సహిస్తుందని సూచిస్తుంది. అదనంగా, ఈ పదార్థం CNT ద్వారా నిర్మించబడిన త్రిమితీయ వాహక నెట్‌వర్క్‌ను కలిగి లేదు. సిలికాన్-కార్బన్ మిశ్రమ పదార్థం S2గా నమోదు చేయబడింది.

ఘన-దశ కార్బన్ పూత ద్వారా తయారు చేయబడిన సిలికాన్-కార్బన్ మిశ్రమ పదార్థం యొక్క స్వరూప లక్షణాలు పటం 7లో చూపబడ్డాయి. కార్బనైజేషన్ తర్వాత, పటం 7(ఎ)లో చూపిన విధంగా ఉపరితలంపై స్పష్టమైన పూత పొర ఉంది. పటం 7(బి)లో అడ్డుకోతలో పట్టీ ఆకారపు నానోకణాలు ఉన్నాయని చూపబడింది, ఇది నానోషీట్‌ల స్వరూప లక్షణాలకు అనుగుణంగా ఉంటుంది. నానోషీట్‌ల సముదాయం ఒక సచ్ఛిద్ర నిర్మాణాన్ని ఏర్పరుస్తుంది. అంతర్గత నానోషీట్‌ల ఉపరితలంపై స్పష్టమైన పూరకం ఏదీ లేదు, ఇది ఘన-దశ కార్బన్ పూత కేవలం సచ్ఛిద్ర నిర్మాణంతో కూడిన కార్బన్ పూత పొరను మాత్రమే ఏర్పరుస్తుందని, మరియు సిలికాన్ నానోషీట్‌లకు అంతర్గత పూత పొర ఏదీ లేదని సూచిస్తుంది. ఈ సిలికాన్-కార్బన్ మిశ్రమ పదార్థం S3గా నమోదు చేయబడింది.

S2 మరియు S3 లపై బటన్-రకం హాఫ్-సెల్ ఛార్జ్ మరియు డిశ్చార్జ్ పరీక్ష నిర్వహించబడింది. S2 యొక్క నిర్దిష్ట సామర్థ్యం మరియు మొదటి సామర్థ్యం వరుసగా 1120.2 mAh/g మరియు 84.8% కాగా, S3 యొక్క నిర్దిష్ట సామర్థ్యం మరియు మొదటి సామర్థ్యం వరుసగా 882.5 mAh/g మరియు 82.9%గా ఉన్నాయి. సాలిడ్-ఫేజ్ కోటెడ్ S3 నమూనా యొక్క నిర్దిష్ట సామర్థ్యం మరియు మొదటి సామర్థ్యం అత్యల్పంగా ఉన్నాయి. ఇది, కేవలం పోరస్ నిర్మాణానికి మాత్రమే కార్బన్ కోటింగ్ వేయబడిందని, మరియు అంతర్గత సిలికాన్ నానోషీట్‌లకు కార్బన్ కోటింగ్ వేయబడలేదని సూచిస్తుంది. దీనివల్ల సిలికాన్-ఆధారిత పదార్థం యొక్క నిర్దిష్ట సామర్థ్యాన్ని పూర్తిగా వినియోగించుకోలేకపోయింది మరియు సిలికాన్-ఆధారిత పదార్థం యొక్క ఉపరితలాన్ని రక్షించలేకపోయింది. CNT లేని S2 నమూనా యొక్క మొదటి సామర్థ్యం కూడా, CNT కలిగిన సిలికాన్-కార్బన్ మిశ్రమ పదార్థం కంటే తక్కువగా ఉంది. ఇది, ఒక మంచి కోటింగ్ పొర ఆధారంగా, వాహక నెట్‌వర్క్ మరియు అధిక స్థాయి పోరస్ నిర్మాణం సిలికాన్-కార్బన్ పదార్థం యొక్క ఛార్జ్ మరియు డిశ్చార్జ్ సామర్థ్యాన్ని మెరుగుపరచడానికి దోహదపడతాయని సూచిస్తుంది.

రేట్ పనితీరు మరియు సైకిల్ పనితీరును పరిశీలించడానికి S1 సిలికాన్-కార్బన్ మెటీరియల్‌ను ఉపయోగించి ఒక చిన్న సాఫ్ట్-ప్యాక్ ఫుల్ బ్యాటరీని తయారు చేశారు. డిశ్చార్జ్ రేట్ కర్వ్‌ను చిత్రం 8(a)లో చూపించారు. 0.2C, 0.5C, 1C, 2C మరియు 3C ల డిశ్చార్జ్ కెపాసిటీలు వరుసగా 2.970, 2.999, 2.920, 2.176 మరియు 1.021 Ah గా ఉన్నాయి. 1C డిశ్చార్జ్ రేట్ 98.3% గరిష్టంగా ఉండగా, 2C డిశ్చార్జ్ రేట్ 73.3%కి, మరియు 3C డిశ్చార్జ్ రేట్ మరింతగా 34.4%కి పడిపోయాయి. సిలికాన్ నెగటివ్ ఎలక్ట్రోడ్ మార్పిడి గ్రూప్‌లో చేరడానికి, దయచేసి WeChat: shimobangను జోడించండి. ఛార్జింగ్ రేటు పరంగా, 0.2C, 0.5C, 1C, 2C మరియు 3C ఛార్జింగ్ సామర్థ్యాలు వరుసగా 3.186, 3.182, 3.081, 2.686 మరియు 2.289 Ah గా ఉన్నాయి. 1C ఛార్జింగ్ రేటు 96.7% కాగా, 2C ఛార్జింగ్ రేటు 84.3%కి చేరుకుంది. అయితే, పటం 8(b)లోని ఛార్జింగ్ కర్వ్‌ను పరిశీలిస్తే, 1C ఛార్జింగ్ ప్లాట్‌ఫారమ్ కంటే 2C ఛార్జింగ్ ప్లాట్‌ఫారమ్ గణనీయంగా పెద్దదిగా ఉంది మరియు దాని స్థిర వోల్టేజ్ ఛార్జింగ్ సామర్థ్యం అత్యధికంగా (55%) ఉంది. ఇది 2C రీఛార్జబుల్ బ్యాటరీ యొక్క పోలరైజేషన్ ఇప్పటికే చాలా ఎక్కువగా ఉందని సూచిస్తుంది. సిలికాన్-కార్బన్ మెటీరియల్ 1C వద్ద మంచి ఛార్జింగ్ మరియు డిశ్చార్జింగ్ పనితీరును కలిగి ఉంది, కానీ అధిక రేటు పనితీరును సాధించడానికి మెటీరియల్ యొక్క నిర్మాణ లక్షణాలను మరింత మెరుగుపరచాల్సిన అవసరం ఉంది. పటం 9లో చూపిన విధంగా, 450 సైకిళ్ల తర్వాత, సామర్థ్య నిలుపుదల రేటు 78%గా ఉంది, ఇది మంచి సైకిల్ పనితీరును చూపిస్తుంది.

సైకిల్‌కు ముందు మరియు తర్వాత ఎలక్ట్రోడ్ యొక్క ఉపరితల స్థితిని SEM ద్వారా పరిశీలించగా, ఫలితాలు పటం 10లో చూపబడ్డాయి. సైకిల్‌కు ముందు, గ్రాఫైట్ మరియు సిలికాన్-కార్బన్ పదార్థాల ఉపరితలం స్పష్టంగా ఉంది [పటం 10(a)]; సైకిల్ తర్వాత, ఉపరితలంపై స్పష్టంగా ఒక పూత పొర ఏర్పడింది [పటం 10(b)], ఇది ఒక మందపాటి SEI ఫిల్మ్. SEI ఫిల్మ్ యొక్క గరుకుదనం వల్ల క్రియాశీల లిథియం వినియోగం ఎక్కువగా ఉంటుంది, ఇది సైకిల్ పనితీరుకు అనుకూలమైనది కాదు. అందువల్ల, నునుపైన SEI ఫిల్మ్ ఏర్పడటాన్ని ప్రోత్సహించడం (ఉదాహరణకు, కృత్రిమ SEI ఫిల్మ్ నిర్మాణం, తగిన ఎలక్ట్రోలైట్ సంకలితాలను జోడించడం మొదలైనవి) సైకిల్ పనితీరును మెరుగుపరుస్తుంది. సైకిల్ తర్వాత సిలికాన్-కార్బన్ కణాల క్రాస్-సెక్షనల్ SEM పరిశీలన [పటం 10(c)] ప్రకారం, అసలైన పట్టీ ఆకారపు సిలికాన్ నానోకణాలు ముతకగా మారాయని మరియు రంధ్రాల నిర్మాణం ప్రాథమికంగా తొలగిపోయిందని తెలుస్తుంది. సైకిల్ సమయంలో సిలికాన్-కార్బన్ పదార్థం నిరంతరం ఘనపరిమాణంలో విస్తరించడం మరియు సంకోచించడం దీనికి ప్రధాన కారణం. అందువల్ల, సిలికాన్ ఆధారిత పదార్థం యొక్క ఘనపరిమాణ విస్తరణకు తగినంత బఫర్ స్థలాన్ని అందించడానికి రంధ్రాల నిర్మాణాన్ని మరింత మెరుగుపరచాల్సిన అవసరం ఉంది.

3 ముగింపు

సిలికాన్ ఆధారిత నెగటివ్ ఎలక్ట్రోడ్ పదార్థాల యొక్క ఘనపరిమాణ విస్తరణ, తక్కువ వాహకత్వం మరియు పేలవమైన ఇంటర్‌ఫేస్ స్థిరత్వం ఆధారంగా, ఈ పత్రం సిలికాన్ నానోషీట్‌ల స్వరూప రూపకల్పన, సచ్ఛిద్ర నిర్మాణ నిర్మాణం, వాహక నెట్‌వర్క్ నిర్మాణం మరియు మొత్తం ద్వితీయ కణాలకు పూర్తి కార్బన్ పూత వంటి లక్షిత మెరుగుదలలను చేస్తుంది, తద్వారా సిలికాన్ ఆధారిత నెగటివ్ ఎలక్ట్రోడ్ పదార్థాల స్థిరత్వాన్ని మొత్తంగా మెరుగుపరుస్తుంది. సిలికాన్ నానోషీట్‌ల సంచయం ఒక సచ్ఛిద్ర నిర్మాణాన్ని ఏర్పరుస్తుంది. CNT పరిచయం సచ్ఛిద్ర నిర్మాణం ఏర్పడటాన్ని మరింత ప్రోత్సహిస్తుంది. ద్రవ దశ పూత ద్వారా తయారు చేయబడిన సిలికాన్-కార్బన్ మిశ్రమ పదార్థం, ఘన దశ పూత ద్వారా తయారు చేయబడిన దాని కంటే రెట్టింపు కార్బన్ పూత ప్రభావాన్ని కలిగి ఉంటుంది మరియు అధిక నిర్దిష్ట సామర్థ్యం మరియు మొదటి సామర్థ్యాన్ని ప్రదర్శిస్తుంది. అదనంగా, CNT లేని దాని కంటే CNT కలిగిన సిలికాన్-కార్బన్ మిశ్రమ పదార్థం యొక్క మొదటి సామర్థ్యం ఎక్కువగా ఉంటుంది, దీనికి ప్రధాన కారణం సిలికాన్ ఆధారిత పదార్థాల ఘనపరిమాణ విస్తరణను తగ్గించడంలో సచ్ఛిద్ర నిర్మాణం యొక్క అధిక సామర్థ్యం. CNT పరిచయం త్రిమితీయ వాహక నెట్‌వర్క్‌ను నిర్మిస్తుంది, సిలికాన్ ఆధారిత పదార్థాల వాహకత్వాన్ని మెరుగుపరుస్తుంది మరియు 1C వద్ద మంచి రేట్ పనితీరును చూపుతుంది; మరియు ఈ పదార్థం మంచి సైకిల్ పనితీరును ప్రదర్శిస్తుంది. అయితే, సిలికాన్ యొక్క ఘనపరిమాణ విస్తరణకు తగినంత బఫర్ స్థలాన్ని అందించడానికి మరియు మృదువైన నిర్మాణం ఏర్పడటాన్ని ప్రోత్సహించడానికి, పదార్థం యొక్క సచ్ఛిద్ర నిర్మాణాన్ని మరింత బలోపేతం చేయవలసి ఉంటుంది.మరియు సిలికాన్-కార్బన్ మిశ్రమ పదార్థం యొక్క సైకిల్ పనితీరును మరింత మెరుగుపరచడానికి దట్టమైన SEI ఫిల్మ్.

మేము అధిక స్వచ్ఛత గల గ్రాఫైట్ మరియు సిలికాన్ కార్బైడ్ ఉత్పత్తులను కూడా సరఫరా చేస్తాము, ఇవి ఆక్సీకరణ, వ్యాపనం మరియు అనీలింగ్ వంటి వేఫర్ ప్రాసెసింగ్‌లో విస్తృతంగా ఉపయోగించబడతాయి.

తదుపరి చర్చల కోసం ప్రపంచవ్యాప్తంగా ఉన్న వినియోగదారులందరికీ మా సందర్శనకు స్వాగతం!

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