છિદ્રાળુ સિલિકોન કાર્બન કમ્પોઝિટ સામગ્રીની તૈયારી અને કામગીરીમાં સુધારો

લિથિયમ-આયન બેટરીઓ મુખ્યત્વે ઉચ્ચ ઉર્જા ઘનતાની દિશામાં વિકાસ કરી રહી છે. ઓરડાના તાપમાને, 3572 mAh/g સુધીની ચોક્કસ ક્ષમતા સાથે લિથિયમ-સમૃદ્ધ ઉત્પાદન Li3.75Si તબક્કાનું ઉત્પાદન કરવા માટે લિથિયમ સાથે સિલિકોન-આધારિત નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ મટિરિયલ એલોય, જે ગ્રેફાઇટ નેગેટિવ ઇલેક્ટ્રોડ 372ની સૈદ્ધાંતિક વિશિષ્ટ ક્ષમતા કરતાં ઘણી વધારે છે. mAh/g જો કે, સિલિકોન-આધારિત નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ સામગ્રીના પુનરાવર્તિત ચાર્જિંગ અને ડિસ્ચાર્જિંગ પ્રક્રિયા દરમિયાન, Si અને Li3.75Si નું તબક્કા પરિવર્તન વિશાળ વોલ્યુમ વિસ્તરણ (લગભગ 300%) પેદા કરી શકે છે, જે ઇલેક્ટ્રોડ સામગ્રીના માળખાકીય પાવડરિંગ અને સતત રચના તરફ દોરી જશે. SEI ફિલ્મ, અને છેલ્લે ક્ષમતા ઝડપથી ઘટી જાય છે. ઉદ્યોગ મુખ્યત્વે સિલિકોન-આધારિત નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ સામગ્રીના પ્રદર્શન અને નેનો-સાઇઝિંગ, કાર્બન કોટિંગ, છિદ્ર રચના અને અન્ય તકનીકો દ્વારા સિલિકોન-આધારિત બેટરીની સ્થિરતામાં સુધારો કરે છે.

કાર્બન સામગ્રીમાં સારી વાહકતા, ઓછી કિંમત અને વિશાળ સ્ત્રોત હોય છે. તેઓ સિલિકોન-આધારિત સામગ્રીની વાહકતા અને સપાટીની સ્થિરતાને સુધારી શકે છે. તેઓ સિલિકોન-આધારિત નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ્સ માટે પ્રભાવ સુધારણા ઉમેરણો તરીકે પ્રાધાન્યમાં ઉપયોગમાં લેવાય છે. સિલિકોન-કાર્બન સામગ્રી એ સિલિકોન-આધારિત નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ્સની મુખ્ય પ્રવાહની વિકાસ દિશા છે. કાર્બન કોટિંગ સિલિકોન-આધારિત સામગ્રીની સપાટીની સ્થિરતાને સુધારી 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 બાંધવાની જરૂર છે. બોલ મિલિંગ એ નેનોમટેરિયલ્સ તૈયાર કરવા માટેની ઔદ્યોગિક પદ્ધતિ છે. સંયુક્ત સામગ્રીની ડિઝાઇન જરૂરિયાતો અનુસાર બોલ મિલિંગ દ્વારા મેળવેલા સ્લરીમાં વિવિધ ઉમેરણો અથવા સામગ્રી ઘટકો ઉમેરી શકાય છે. સ્લરી વિવિધ સ્લરી અને સ્પ્રે-ડ્રાય દ્વારા સરખે ભાગે વહેંચાય છે. ત્વરિત સૂકવણીની પ્રક્રિયા દરમિયાન, સ્લરીમાં રહેલા નેનોપાર્ટિકલ્સ અને અન્ય ઘટકો સ્વયંભૂ રીતે છિદ્રાળુ માળખાકીય લાક્ષણિકતાઓની રચના કરશે. છિદ્રાળુ સિલિકોન-આધારિત સામગ્રી તૈયાર કરવા માટે આ કાગળ ઔદ્યોગિક અને પર્યાવરણને અનુકૂળ બોલ મિલિંગ અને સ્પ્રે સૂકવણી તકનીકનો ઉપયોગ કરે છે.

સિલિકોન-આધારિત સામગ્રીનું પ્રદર્શન પણ સિલિકોન નેનોમટેરિયલ્સની મોર્ફોલોજી અને વિતરણ લાક્ષણિકતાઓને નિયંત્રિત કરીને સુધારી શકાય છે. હાલમાં, સિલિકોન-આધારિત સામગ્રીઓ વિવિધ મોર્ફોલોજિસ અને વિતરણ લાક્ષણિકતાઓ સાથે તૈયાર કરવામાં આવી છે, જેમ કે સિલિકોન નેનોરોડ્સ, છિદ્રાળુ ગ્રેફાઇટ એમ્બેડેડ નેનોસિલિકોન, કાર્બન ગોળામાં વિતરિત નેનોસિલિકોન, સિલિકોન/ગ્રાફીન એરે છિદ્રાળુ માળખું, વગેરે. સમાન ધોરણે, નેનોપાર્ટિકલ્સ સાથે સરખામણી , નેનોશીટ્સ વોલ્યુમને કારણે થતી ક્રશિંગ સમસ્યાને વધુ સારી રીતે દબાવી શકે છે વિસ્તરણ, અને સામગ્રીમાં ઉચ્ચ કોમ્પેક્શન ઘનતા છે. નેનોશીટ્સનું અવ્યવસ્થિત સ્ટેકીંગ પણ છિદ્રાળુ માળખું બનાવી શકે છે. સિલિકોન નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ વિનિમય જૂથમાં જોડાવા માટે. સિલિકોન સામગ્રીના વોલ્યુમ વિસ્તરણ માટે બફર સ્પેસ પ્રદાન કરો. કાર્બન નેનોટ્યુબ્સ (CNTs) ની રજૂઆત માત્ર સામગ્રીની વાહકતામાં સુધારો કરી શકે છે, પરંતુ તેની એક-પરિમાણીય મોર્ફોલોજિકલ લાક્ષણિકતાઓને કારણે સામગ્રીના છિદ્રાળુ માળખાના નિર્માણને પણ પ્રોત્સાહન આપે છે. સિલિકોન નેનોશીટ્સ અને CNT દ્વારા બાંધવામાં આવેલા છિદ્રાળુ માળખાં પર કોઈ અહેવાલ નથી. આ પેપર ઔદ્યોગિક રીતે લાગુ પડતા બોલ મિલિંગ, ગ્રાઇન્ડીંગ અને ડિસ્પરશન, સ્પ્રે ડ્રાયિંગ, કાર્બન પ્રી-કોટિંગ અને કેલ્સિનેશન પદ્ધતિઓ અપનાવે છે અને સિલિકોન નેનોશીટ્સની સ્વ-એસેમ્બલી દ્વારા રચાયેલી છિદ્રાળુ સિલિકોન આધારિત નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ સામગ્રી તૈયાર કરવા માટે તૈયારી પ્રક્રિયામાં છિદ્રાળુ પ્રમોટર્સનો પરિચય આપે છે. CNTs. તૈયારીની પ્રક્રિયા સરળ, પર્યાવરણને અનુકૂળ છે અને કોઈ કચરો પ્રવાહી અથવા કચરાના અવશેષો ઉત્પન્ન થતા નથી. સિલિકોન-આધારિત સામગ્રીના કાર્બન કોટિંગ પર ઘણા સાહિત્યિક અહેવાલો છે, પરંતુ કોટિંગની અસર પર થોડી ઊંડાણપૂર્વકની ચર્ચાઓ છે. આ પેપર બે કાર્બન કોટિંગ પદ્ધતિઓ, લિક્વિડ ફેઝ કોટિંગ અને સોલિડ ફેઝ કોટિંગ, કોટિંગ ઇફેક્ટ અને સિલિકોન-આધારિત નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ સામગ્રીના પ્રભાવની તપાસ કરવા માટે કાર્બન સ્ત્રોત તરીકે ડામરનો ઉપયોગ કરે છે.

1 પ્રયોગ

1.1 સામગ્રીની તૈયારી

છિદ્રાળુ સિલિકોન-કાર્બન કમ્પોઝિટ સામગ્રીની તૈયારીમાં મુખ્યત્વે પાંચ પગલાંનો સમાવેશ થાય છે: બોલ મિલિંગ, ગ્રાઇન્ડિંગ અને ડિસ્પરશન, સ્પ્રે ડ્રાયિંગ, કાર્બન પ્રી-કોટિંગ અને કાર્બનાઇઝેશન. 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 r/મિનિટની બોલ મિલિંગ ઝડપે વેટ બોલ મિલિંગ કરો. મેળવેલ સિલિકોન સ્લરીને વિખેરી ટ્રાન્સફર ટાંકીમાં સ્થાનાંતરિત કરવામાં આવે છે, અને સિલિકોનના સમૂહ ગુણોત્તર અનુસાર સામગ્રી ઉમેરવામાં આવે છે: ગ્રેફાઇટ (શાંઘાઈમાં ઉત્પાદિત, બેટરી ગ્રેડ): કાર્બન નેનોટ્યુબ્સ (ટિયાનજિનમાં ઉત્પાદિત, બેટરી ગ્રેડ): પોલિવિનાઇલ પાયરોલિડોન (ઉત્પાદિત). તિયાનજિનમાં, વિશ્લેષણાત્મક ગ્રેડ) = 40:60:1.5:2. Isopropanol નો ઉપયોગ નક્કર સામગ્રીને સમાયોજિત કરવા માટે થાય છે, અને નક્કર સામગ્રી 15% માટે રચાયેલ છે. ગ્રાઇન્ડીંગ અને વિખેરવું 4 કલાક માટે 3500 r/min ની વિખેરવાની ઝડપે કરવામાં આવે છે. CNT ઉમેર્યા વિના સ્લરીના બીજા જૂથની સરખામણી કરવામાં આવે છે, અને અન્ય સામગ્રી સમાન છે. મેળવેલ વિખરાયેલી સ્લરીને પછી સ્પ્રે ડ્રાયિંગ ફીડિંગ ટાંકીમાં સ્થાનાંતરિત કરવામાં આવે છે, અને સ્પ્રે સૂકવણી નાઇટ્રોજન-સંરક્ષિત વાતાવરણમાં કરવામાં આવે છે, જેમાં ઇનલેટ અને આઉટલેટનું તાપમાન અનુક્રમે 180 અને 90 °C હોય છે. પછી બે પ્રકારના કાર્બન કોટિંગની સરખામણી કરવામાં આવી, સોલિડ ફેઝ કોટિંગ અને લિક્વિડ ફેઝ કોટિંગ. સોલિડ ફેઝ કોટિંગ પદ્ધતિ છે: સ્પ્રે-સૂકા પાવડરને 20% ડામર પાવડર સાથે મિશ્રિત કરવામાં આવે છે (કોરિયામાં બનાવવામાં આવે છે, D50 5 μm છે), 10 મિનિટ માટે મિકેનિકલ મિક્સરમાં મિશ્રિત કરવામાં આવે છે, અને મેળવવા માટે મિશ્રણની ઝડપ 2000 r/min છે. પૂર્વ કોટેડ પાવડર. લિક્વિડ ફેઝ કોટિંગ પદ્ધતિ છે: સ્પ્રે-ડ્રાય પાવડરને ઝાયલીન સોલ્યુશનમાં ઉમેરવામાં આવે છે (ટિયાનજિનમાં બનાવેલ, વિશ્લેષણાત્મક ગ્રેડ) જેમાં પાવડરમાં 55% ની ઘન સામગ્રીમાં ઓગળેલા 20% ડામર હોય છે, અને વેક્યૂમ સમાનરૂપે હલાવવામાં આવે છે. વેક્યુમ ઓવનમાં 85℃ પર 4 કલાક માટે બેક કરો, મિશ્રણ માટે મિકેનિકલ મિક્સરમાં મૂકો, મિશ્રણની ઝડપ 2000 r/min છે, અને પ્રી-કોટેડ પાવડર મેળવવા માટે મિશ્રણનો સમય 10 મિનિટ છે. છેલ્લે, પ્રી-કોટેડ પાવડરને રોટરી ભઠ્ઠામાં નાઈટ્રોજન વાતાવરણ હેઠળ 5°C/મિનિટના હીટિંગ દરે કેલ્સાઈન કરવામાં આવ્યો હતો. તેને સૌપ્રથમ 2h માટે 550°C ના સ્થિર તાપમાને રાખવામાં આવ્યું હતું, પછી 800°C સુધી ગરમ થવાનું ચાલુ રાખ્યું હતું અને 2h માટે સતત તાપમાનમાં રાખવામાં આવ્યું હતું, અને પછી કુદરતી રીતે 100°C થી નીચે ઠંડું કરવામાં આવ્યું હતું અને સિલિકોન-કાર્બન મેળવવા માટે તેને છોડવામાં આવ્યું હતું. સંયુક્ત સામગ્રી.

1.2 લાક્ષણિકતા પદ્ધતિઓ

સામગ્રીના કણોના કદના વિતરણનું પૃથ્થકરણ પાર્ટિકલ સાઈઝ ટેસ્ટર (યુકેમાં બનેલું માસ્ટરસાઈઝર 2000 વર્ઝન) નો ઉપયોગ કરીને કરવામાં આવ્યું હતું. પાઉડરના મોર્ફોલોજી અને કદની તપાસ કરવા માટે દરેક પગલામાં મેળવેલા પાઉડરનું પરીક્ષણ ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપી (રેગ્યુલસ 8220, જાપાનમાં બનેલું) સ્કેનિંગ દ્વારા કરવામાં આવ્યું હતું. એક્સ-રે પાઉડર ડિફ્રેક્શન વિશ્લેષક (D8 ADVANCE, જર્મનીમાં બનેલ) નો ઉપયોગ કરીને સામગ્રીના તબક્કાના બંધારણનું વિશ્લેષણ કરવામાં આવ્યું હતું અને ઊર્જા સ્પેક્ટ્રમ વિશ્લેષકનો ઉપયોગ કરીને સામગ્રીની મૂળભૂત રચનાનું વિશ્લેષણ કરવામાં આવ્યું હતું. મેળવેલ સિલિકોન-કાર્બન કમ્પોઝિટ સામગ્રીનો ઉપયોગ મોડલ CR2032 ના બટન અડધા-સેલ બનાવવા માટે કરવામાં આવ્યો હતો, અને સિલિકોન-કાર્બનનો સમૂહ ગુણોત્તર: SP: CNT: CMC: SBR 92:2:2:1.5:2.5 હતો. કાઉન્ટર ઇલેક્ટ્રોડ એ મેટલ લિથિયમ શીટ છે, ઇલેક્ટ્રોલાઇટ એ કોમર્શિયલ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ છે (મોડલ 1901, કોરિયામાં બનાવેલ છે), સેલગાર્ડ 2320 ડાયાફ્રેમનો ઉપયોગ થાય છે, ચાર્જ અને ડિસ્ચાર્જ વોલ્ટેજ રેન્જ 0.005-1.5 V છે, ચાર્જ અને ડિસ્ચાર્જ વર્તમાન 0.1 C છે. (1C = 1A), અને ડિસ્ચાર્જ કટ-ઓફ વર્તમાન 0.05 C છે.

સિલિકોન-કાર્બન કમ્પોઝિટ સામગ્રીના પ્રદર્શનની વધુ તપાસ કરવા માટે, લેમિનેટેડ નાની સોફ્ટ-પેક બેટરી 408595 બનાવવામાં આવી હતી. સકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ NCM811 (હુનાન, બેટરી ગ્રેડમાં બનાવેલ) નો ઉપયોગ કરે છે અને નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ ગ્રેફાઇટ 8% સિલિકોન-કાર્બન સામગ્રી સાથે ડોપ થયેલ છે. પોઝિટિવ ઇલેક્ટ્રોડ સ્લરી ફોર્મ્યુલા 96% NCM811, 1.2% પોલિવિનાઇલિડેન ફ્લોરાઇડ (PVDF), 2% વાહક એજન્ટ SP, 0.8% CNT, અને NMP નો ઉપયોગ વિખેરી નાખનાર તરીકે થાય છે; નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ સ્લરી ફોર્મ્યુલા 96% સંયુક્ત નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ સામગ્રી, 1.3% CMC, 1.5% SBR 1.2% CNT છે અને પાણીનો ઉપયોગ વિખેરનાર તરીકે થાય છે. હલાવવા, કોટિંગ, રોલિંગ, કટિંગ, લેમિનેશન, ટેબ વેલ્ડીંગ, પેકેજીંગ, બેકિંગ, લિક્વિડ ઈન્જેક્શન, રચના અને ક્ષમતા વિભાજન પછી, 3 Ah ની રેટેડ ક્ષમતાવાળી 408595 લેમિનેટેડ નાની સોફ્ટ પેક બેટરીઓ તૈયાર કરવામાં આવી હતી. 0.2C, 0.5C, 1C, 2C અને 3C ની દર કામગીરી અને 0.5C ચાર્જ અને 1C ડિસ્ચાર્જની ચક્ર કામગીરીનું પરીક્ષણ કરવામાં આવ્યું હતું. ચાર્જ અને ડિસ્ચાર્જ વોલ્ટેજ રેન્જ 2.8-4.2 V હતી, સતત વર્તમાન અને સતત વોલ્ટેજ ચાર્જિંગ, અને કટ-ઓફ કરંટ 0.5C હતો.

2 પરિણામો અને ચર્ચા

પ્રારંભિક સિલિકોન પાવડર ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપી (SEM) સ્કેન કરીને જોવામાં આવ્યો હતો. આકૃતિ 1(a) માં બતાવ્યા પ્રમાણે, સિલિકોન પાવડર 2μm કરતા ઓછા કણોના કદ સાથે અનિયમિત રીતે દાણાદાર હતો. બોલ મિલિંગ પછી, સિલિકોન પાવડરનું કદ નોંધપાત્ર રીતે લગભગ 100 nm [આકૃતિ 1(b)] સુધી ઘટાડવામાં આવ્યું હતું. પાર્ટિકલ સાઇઝ ટેસ્ટ દર્શાવે છે કે બોલ મિલિંગ પછી સિલિકોન પાવડરનો D50 110 nm હતો અને D90 175 nm હતો. બોલ મિલિંગ પછી સિલિકોન પાવડરના મોર્ફોલોજીની કાળજીપૂર્વક તપાસ કરવાથી ફ્લેકી સ્ટ્રક્ચર દેખાય છે (ફ્લકી સ્ટ્રક્ચરની રચના પછીથી ક્રોસ-સેક્શનલ SEM માંથી વધુ ચકાસવામાં આવશે). તેથી, કણોના કદના પરીક્ષણમાંથી મેળવેલો D90 ડેટા નેનોશીટની લંબાઈનો પરિમાણ હોવો જોઈએ. SEM પરિણામો સાથે મળીને, તે નક્કી કરી શકાય છે કે મેળવેલ નેનોશીટનું કદ ઓછામાં ઓછા એક પરિમાણમાં ચાર્જિંગ અને ડિસ્ચાર્જ દરમિયાન સિલિકોન પાવડરના ભંગાણના 150 એનએમના નિર્ણાયક મૂલ્ય કરતાં નાનું છે. ફ્લેકી મોર્ફોલોજીની રચના મુખ્યત્વે સ્ફટિકીય સિલિકોનના સ્ફટિક વિમાનોની વિવિધ વિયોજન ઊર્જાને કારણે છે, જેમાંથી સિલિકોનના {111} સમતલમાં {100} અને {110} સ્ફટિક વિમાનો કરતાં ઓછી વિયોજન ઊર્જા હોય છે. તેથી, આ ક્રિસ્ટલ પ્લેન 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 પહેલા અને પછીના પાવડરની SEM દ્વારા તપાસ કરવામાં આવી હતી. પરિણામો આકૃતિ 2 માં દર્શાવવામાં આવ્યા છે. છંટકાવ કરતા પહેલા ઉમેરવામાં આવેલ ગ્રેફાઇટ મેટ્રિક્સ 5 થી 20 μm [આકૃતિ 2(a)]ના કદ સાથે સામાન્ય ફ્લેક સ્ટ્રક્ચર છે. ગ્રેફાઇટનું કણોનું કદ વિતરણ પરીક્ષણ દર્શાવે છે કે D50 15μm છે. છંટકાવ પછી મેળવેલા પાવડરમાં ગોળાકાર આકારવિજ્ઞાન [આકૃતિ 2(b)] છે, અને તે જોઈ શકાય છે કે સ્પ્રે કર્યા પછી ગ્રેફાઇટ કોટિંગ સ્તર દ્વારા કોટેડ છે. છંટકાવ પછી પાવડરનું D50 26.2 μm છે. ગૌણ કણોની મોર્ફોલોજિકલ લાક્ષણિકતાઓ SEM દ્વારા અવલોકન કરવામાં આવી હતી, જે નેનોમટેરિયલ્સ [આકૃતિ 2(c)] દ્વારા સંચિત છૂટક છિદ્રાળુ બંધારણની લાક્ષણિકતાઓ દર્શાવે છે. છિદ્રાળુ માળખું સિલિકોન નેનોશીટ્સ અને CNTsથી બનેલું છે જે એકબીજા સાથે જોડાયેલા છે [આકૃતિ 2(d)], અને પરીક્ષણ વિશિષ્ટ સપાટી વિસ્તાર (BET) 53.3 m2/g જેટલું ઊંચું છે. તેથી, છંટકાવ કર્યા પછી, સિલિકોન નેનોશીટ્સ અને સીએનટી છિદ્રાળુ માળખું બનાવવા માટે સ્વયં-એસેમ્બલ થાય છે.

છિદ્રાળુ સ્તરને પ્રવાહી કાર્બન કોટિંગ સાથે સારવાર આપવામાં આવી હતી, અને કાર્બન કોટિંગ પૂર્વવર્તી પિચ અને કાર્બનાઇઝેશન ઉમેર્યા પછી, SEM અવલોકન હાથ ધરવામાં આવ્યું હતું. પરિણામો આકૃતિ 3 માં દર્શાવવામાં આવ્યા છે. કાર્બન પ્રી-કોટિંગ પછી, ગૌણ કણોની સપાટી સ્પષ્ટ કોટિંગ સ્તર સાથે સરળ બને છે, અને કોટિંગ પૂર્ણ થાય છે, જેમ કે આકૃતિ 3(a) અને (b) માં બતાવ્યા પ્રમાણે. કાર્બનાઇઝેશન પછી, સપાટી કોટિંગ સ્તર સારી કોટિંગ સ્થિતિ જાળવી રાખે છે [આકૃતિ 3(c)]. વધુમાં, ક્રોસ-સેક્શનલ SEM ઈમેજ સ્ટ્રીપ-આકારના નેનોપાર્ટિકલ્સ [આકૃતિ 3(d)] બતાવે છે, જે નેનોશીટ્સની મોર્ફોલોજિકલ લાક્ષણિકતાઓને અનુરૂપ છે, જે બોલ મિલિંગ પછી સિલિકોન નેનોશીટ્સની રચનાની વધુ ચકાસણી કરે છે. વધુમાં, આકૃતિ 3(d) દર્શાવે છે કે કેટલીક નેનોશીટ્સ વચ્ચે ફિલર છે. આ મુખ્યત્વે પ્રવાહી તબક્કા કોટિંગ પદ્ધતિના ઉપયોગને કારણે છે. ડામર સોલ્યુશન 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, પ્રાથમિક પાર્ટિકલ કોટિંગની ડબલ કાર્બન કોટિંગ ઇફેક્ટ પણ મેળવી શકાય છે. BET દ્વારા કાર્બનાઇઝ્ડ પાવડરનું પરીક્ષણ કરવામાં આવ્યું હતું, અને પરીક્ષણ પરિણામ 22.3 m2/g હતું.

કાર્બનાઇઝ્ડ પાવડર ક્રોસ-સેક્શનલ એનર્જી સ્પેક્ટ્રમ વિશ્લેષણ (EDS) ને આધિન હતો, અને પરિણામો આકૃતિ 4(a) માં દર્શાવવામાં આવ્યા છે. માઇક્રોન-કદનો કોર એ 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 નોંધવામાં આવે છે.

તૈયાર સિલિકોન-કાર્બન સામગ્રી S1 ને બટન-પ્રકાર અર્ધ-સેલ ઉત્પાદન અને ચાર્જ-ડિસ્ચાર્જ પરીક્ષણોને આધિન કરવામાં આવ્યું હતું. પ્રથમ ચાર્જ-ડિસ્ચાર્જ વળાંક આકૃતિ 5 માં બતાવવામાં આવ્યો છે. ઉલટાવી શકાય તેવી વિશિષ્ટ ક્ષમતા 1000.8 mAh/g છે, અને પ્રથમ ચક્ર કાર્યક્ષમતા 93.9% જેટલી ઊંચી છે, જે પૂર્વ-પ્રવાહ વિના મોટા ભાગની સિલિકોન-આધારિત સામગ્રીની પ્રથમ કાર્યક્ષમતા કરતાં વધારે છે. સાહિત્યમાં નોંધાયેલ લિથિએશન. ઉચ્ચ પ્રથમ કાર્યક્ષમતા સૂચવે છે કે તૈયાર સિલિકોન-કાર્બન સંયુક્ત સામગ્રી ઉચ્ચ સ્થિરતા ધરાવે છે. સિલિકોન-કાર્બન સામગ્રીની સ્થિરતા પર છિદ્રાળુ માળખું, વાહક નેટવર્ક અને કાર્બન કોટિંગની અસરોને ચકાસવા માટે, સીએનટી ઉમેર્યા વિના અને પ્રાથમિક કાર્બન કોટિંગ વિના બે પ્રકારની સિલિકોન-કાર્બન સામગ્રી તૈયાર કરવામાં આવી હતી.

સીએનટી ઉમેર્યા વિના સિલિકોન-કાર્બન સંયુક્ત સામગ્રીના કાર્બનાઇઝ્ડ પાવડરનું મોર્ફોલોજી આકૃતિ 6 માં દર્શાવવામાં આવ્યું છે. પ્રવાહી તબક્કાના કોટિંગ અને કાર્બનાઇઝેશન પછી, આકૃતિ 6(a) માં ગૌણ કણોની સપાટી પર કોટિંગ સ્તર સ્પષ્ટપણે જોઈ શકાય છે. આકૃતિ 6(b) માં કાર્બનાઇઝ્ડ સામગ્રીનો ક્રોસ-વિભાગીય SEM બતાવવામાં આવ્યો છે. સિલિકોન નેનોશીટ્સના સ્ટેકીંગમાં છિદ્રાળુ લાક્ષણિકતાઓ છે, અને BET પરીક્ષણ 16.6 m2/g છે. જો કે, CNT સાથેના કેસની સરખામણીમાં [આકૃતિ 3(d માં બતાવ્યા પ્રમાણે), તેના કાર્બનાઇઝ્ડ પાવડરની BET ટેસ્ટ 22.3 m2/g છે], આંતરિક નેનો-સિલિકોન સ્ટેકીંગ ડેન્સિટી વધારે છે, જે દર્શાવે છે કે CNT નો ઉમેરો પ્રોત્સાહન આપી શકે છે. છિદ્રાળુ બંધારણની રચના. વધુમાં, સામગ્રીમાં CNT દ્વારા બાંધવામાં આવેલ ત્રિ-પરિમાણીય વાહક નેટવર્ક નથી. સિલિકોન-કાર્બન સંયુક્ત સામગ્રી S2 તરીકે નોંધવામાં આવે છે.

સોલિડ-ફેઝ કાર્બન કોટિંગ દ્વારા તૈયાર કરાયેલ સિલિકોન-કાર્બન કમ્પોઝિટ સામગ્રીની મોર્ફોલોજિકલ લાક્ષણિકતાઓ આકૃતિ 7 માં દર્શાવવામાં આવી છે. કાર્બનીકરણ પછી, આકૃતિ 7(a) માં બતાવ્યા પ્રમાણે, સપાટી પર એક સ્પષ્ટ કોટિંગ સ્તર છે. આકૃતિ 7(b) બતાવે 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 છિદ્રાળુ માળખું સાથે માત્ર કાર્બન કોટિંગ સ્તર બનાવે છે, અને સિલિકોન નેનોશીટ્સ માટે કોઈ આંતરિક કોટિંગ સ્તર નથી. આ સિલિકોન-કાર્બન સંયુક્ત સામગ્રી S3 તરીકે રેકોર્ડ કરવામાં આવી છે.

બટન-પ્રકારનો અર્ધ-સેલ ચાર્જ અને ડિસ્ચાર્જ ટેસ્ટ S2 અને S3 પર હાથ ધરવામાં આવ્યો હતો. S2 ની વિશિષ્ટ ક્ષમતા અને પ્રથમ કાર્યક્ષમતા અનુક્રમે 1120.2 mAh/g અને 84.8% હતી, અને S3 ની વિશિષ્ટ ક્ષમતા અને પ્રથમ કાર્યક્ષમતા અનુક્રમે 882.5 mAh/g અને 82.9% હતી. સોલિડ-ફેઝ કોટેડ S3 સેમ્પલની ચોક્કસ ક્ષમતા અને પ્રથમ કાર્યક્ષમતા સૌથી ઓછી હતી, જે દર્શાવે છે કે છિદ્રાળુ બંધારણનું માત્ર કાર્બન કોટિંગ કરવામાં આવ્યું હતું, અને આંતરિક સિલિકોન નેનોશીટ્સનું કાર્બન કોટિંગ કરવામાં આવ્યું ન હતું, જે સંપૂર્ણ રમત આપી શક્યું ન હતું. સિલિકોન-આધારિત સામગ્રીની ચોક્કસ ક્ષમતા સુધી અને સિલિકોન-આધારિત સામગ્રીની સપાટીને સુરક્ષિત કરી શકતી નથી. CNT વિનાના S2 નમૂનાની પ્રથમ કાર્યક્ષમતા પણ CNT ધરાવતી સિલિકોન-કાર્બન સંયુક્ત સામગ્રી કરતાં ઓછી હતી, જે દર્શાવે છે કે સારા કોટિંગ સ્તરના આધારે, વાહક નેટવર્ક અને ઉચ્ચ સ્તરની છિદ્રાળુ માળખું સુધારણા માટે અનુકૂળ છે. સિલિકોન-કાર્બન સામગ્રીના ચાર્જ અને ડિસ્ચાર્જ કાર્યક્ષમતા.

S1 સિલિકોન-કાર્બન મટિરિયલનો ઉપયોગ રેટ પર્ફોર્મન્સ અને સાઇકલ પર્ફોર્મન્સની તપાસ કરવા માટે નાની સોફ્ટ-પેક પૂર્ણ બેટરી બનાવવા માટે કરવામાં આવ્યો હતો. ડિસ્ચાર્જ રેટ વળાંક 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% અને 3C ડિસ્ચાર્જ રેટ વધુ ઘટીને 34.4% થઈ ગયો છે. સિલિકોન નેગેટિવ ઇલેક્ટ્રોડ એક્સચેન્જ જૂથમાં જોડાવા માટે, કૃપા કરીને WeChat: shimobang ઉમેરો. ચાર્જિંગ રેટના સંદર્ભમાં, 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 રેટ 96.7% છે, અને 2C ચાર્જિંગ રેટ હજુ પણ 84.3% સુધી પહોંચે છે. જો કે, આકૃતિ 8(b) માં ચાર્જિંગ વળાંકનું અવલોકન કરતાં, 2C ચાર્જિંગ પ્લેટફોર્મ 1C ચાર્જિંગ પ્લેટફોર્મ કરતાં નોંધપાત્ર રીતે મોટું છે, અને તેની સતત વોલ્ટેજ ચાર્જિંગ ક્ષમતા સૌથી વધુ (55%) માટે જવાબદાર છે, જે દર્શાવે છે કે 2C રિચાર્જેબલ બેટરીનું ધ્રુવીકરણ છે. પહેલેથી જ ખૂબ મોટી. સિલિકોન-કાર્બન સામગ્રીમાં 1C પર સારી ચાર્જિંગ અને ડિસ્ચાર્જિંગ કામગીરી છે, પરંતુ ઉચ્ચ દરની કામગીરી હાંસલ કરવા માટે સામગ્રીની માળખાકીય લાક્ષણિકતાઓને વધુ સુધારવાની જરૂર છે. આકૃતિ 9 માં બતાવ્યા પ્રમાણે, 450 ચક્ર પછી, ક્ષમતા જાળવી રાખવાનો દર 78% છે, જે ચક્રની સારી કામગીરી દર્શાવે છે.

SEM દ્વારા ચક્ર પહેલાં અને પછી ઇલેક્ટ્રોડની સપાટીની સ્થિતિની તપાસ કરવામાં આવી હતી, અને પરિણામો આકૃતિ 10 માં દર્શાવવામાં આવ્યા છે. ચક્ર પહેલાં, ગ્રેફાઇટ અને સિલિકોન-કાર્બન સામગ્રીની સપાટી સ્પષ્ટ છે [આકૃતિ 10(a)]; ચક્ર પછી, સપાટી પર દેખીતી રીતે કોટિંગ સ્તર પેદા થાય છે [આકૃતિ 10(b)], જે જાડી SEI ફિલ્મ છે. SEI ફિલ્મની ખરબચડી સક્રિય લિથિયમનો વપરાશ વધારે છે, જે ચક્રની કામગીરી માટે અનુકૂળ નથી. તેથી, સરળ SEI ફિલ્મની રચનાને પ્રોત્સાહન આપવું (જેમ કે કૃત્રિમ SEI ફિલ્મ બાંધકામ, યોગ્ય ઈલેક્ટ્રોલાઈટ એડિટિવ્સ ઉમેરવા વગેરે.) ચક્રની કામગીરીમાં સુધારો કરી શકે છે. ચક્ર [આકૃતિ 10(c)] પછી સિલિકોન-કાર્બન કણોનું ક્રોસ-વિભાગીય SEM અવલોકન દર્શાવે છે કે મૂળ સ્ટ્રીપ-આકારના સિલિકોન નેનોપાર્ટિકલ્સ બરછટ થઈ ગયા 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 પ્રદાન કરવા છિદ્રાળુ માળખું વધુ વધારવાની જરૂર છે.

3 નિષ્કર્ષ

વોલ્યુમ વિસ્તરણ, નબળી વાહકતા અને સિલિકોન-આધારિત નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ સામગ્રીની નબળી ઇન્ટરફેસ સ્થિરતાના આધારે, આ પેપર સિલિકોન નેનોશીટ્સના મોર્ફોલોજીના આકાર, છિદ્રાળુ માળખું બાંધકામ, વાહક નેટવર્ક બાંધકામ અને સમગ્ર ગૌણ કણોના સંપૂર્ણ કાર્બન કોટિંગમાંથી લક્ષ્યાંકિત સુધારાઓ કરે છે. , એકંદરે સિલિકોન-આધારિત નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ સામગ્રીની સ્થિરતા સુધારવા માટે. સિલિકોન નેનોશીટ્સનું સંચય છિદ્રાળુ માળખું બનાવી શકે છે. CNT ની રજૂઆત છિદ્રાળુ માળખાના નિર્માણને વધુ પ્રોત્સાહન આપશે. લિક્વિડ ફેઝ કોટિંગ દ્વારા તૈયાર કરાયેલ સિલિકોન-કાર્બન સંયુક્ત સામગ્રીમાં સોલિડ ફેઝ કોટિંગ દ્વારા તૈયાર કરવામાં આવેલા કરતાં ડબલ કાર્બન કોટિંગ અસર હોય છે, અને ઉચ્ચ ચોક્કસ ક્ષમતા અને પ્રથમ કાર્યક્ષમતા દર્શાવે છે. વધુમાં, સીએનટી ધરાવતી સિલિકોન-કાર્બન કમ્પોઝિટ સામગ્રીની પ્રથમ કાર્યક્ષમતા સીએનટી વિના કરતાં વધારે છે, જે મુખ્યત્વે સિલિકોન-આધારિત સામગ્રીના વોલ્યુમ વિસ્તરણને ઘટાડવાની છિદ્રાળુ બંધારણની ક્ષમતાની ઉચ્ચ ડિગ્રીને કારણે છે. CNT ની રજૂઆત ત્રિ-પરિમાણીય વાહક નેટવર્કનું નિર્માણ કરશે, સિલિકોન-આધારિત સામગ્રીની વાહકતામાં સુધારો કરશે અને 1C પર સારો દર પ્રદર્શન બતાવશે; અને સામગ્રી સારી ચક્ર કામગીરી દર્શાવે છે. જો કે, સિલિકોનના જથ્થાના વિસ્તરણ માટે પર્યાપ્ત બફર સ્પેસ પ્રદાન કરવા માટે સામગ્રીની છિદ્રાળુ માળખું વધુ મજબૂત કરવાની જરૂર છે, અને એક સરળ રચનાને પ્રોત્સાહન આપે છે.અને ગાઢ SEI ફિલ્મ સિલિકોન-કાર્બન કમ્પોઝિટ સામગ્રીના ચક્ર પ્રદર્શનમાં વધુ સુધારો કરે છે.

અમે ઉચ્ચ-શુદ્ધતાવાળા ગ્રેફાઇટ અને સિલિકોન કાર્બાઇડ ઉત્પાદનો પણ સપ્લાય કરીએ છીએ, જેનો વ્યાપકપણે ઓક્સિડેશન, પ્રસરણ અને એનેલિંગ જેવી વેફર પ્રક્રિયામાં ઉપયોગ થાય છે.

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

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