লিথিয়াম ব্যাটারির জন্য সিলিকন ভিত্তিক অ্যানোড উপাদানের প্রয়োগের অসুবিধা

২০২৫-০৩-২৬

বর্তমানে, নতুন শক্তি যানবাহনের জন্য লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারির শক্তির ঘনত্ব এখনও উন্নত করা দরকার, এবং এটি ঐতিহ্যবাহী জ্বালানি যানবাহনের পরিবর্তে আসার জন্য এখনও একটি দীর্ঘ পথ যেতে হবে। বিদ্যুৎ লিথিয়াম আয়ন ব্যাটারির শক্তি ঘনত্ব বাড়ানোর প্রধান উপায় হলো নতুন উচ্চ-ধারণ ক্ষমতার অ্যানোড এবং ক্যাথোড উপাদান ব্যবহার করা। সিলিকনের তাত্ত্বিক নির্দিষ্ট সক্ষমতা 4200mAh/g পর্যন্ত, যা গ্রাফাইট অ্যানোড উপাদানের ১০ গুণেরও বেশি। তাই এটি গ্রাফাইটের পরিবর্তে লিথিয়াম ব্যাটারির পরবর্তী প্রজন্মের অ্যানোড উপাদান হিসাবে বিবেচিত হয়।

সিলিকন পৃথিবীর খনিজের দ্বিতীয় সবচেয়ে প্রচুর উপাদান। তাত্ত্বিকভাবে, একটি সিলিকন পরমাণু ৪.৪ লিথিয়াম পরমাণুর সাথে লিগমেন্ট লি৪.৪সি গঠন করতে পারে, তাই সিলিকনের একটি অত্যন্ত উচ্চ তাত্ত্বিক নির্দিষ্ট সক্ষমতা রয়েছে। এছাড়াও, সিলিকনের লিথিয়াম এমবেডিং পটেনশিয়াল গ্রাফাইট অ্যানোডের চেয়ে বেশি, যা কার্যকরভাবে লিথিয়াম ডেনড্রাইট গঠনের এড়াতে পারে। তবে, সিলিকন চার্জিং এবং ডিশচার্জিং প্রক্রিয়ায় বিশাল ভলিউমের পরিবর্তনের কারণে একটি সিরিজ পার্শ্ব প্রতিক্রিয়া সৃষ্টি করতে প্রবণ।

(১) একাধিক ভলিউম প্রসারণ এবং সংকোচন, যা সিলিকন কণাগুলির মধ্যে চাপের নতুন সঞ্চয় সৃষ্টি করে, এবং শেষ পর্যন্ত সিলিকন পদার্থটি পাউডারে পরিণত হয়, ফলে কণাগুলির মধ্যে পোলার প্লেটে সিলিকন কণাগুলির মধ্যে বৈদ্যুতিক যোগাযোগ দুর্বল হয়, সিলিকন কণাগুলির এবং পরিচালন এজেন্টের মধ্যে যোগাযোগ খারাপ হয়, সাইক্লিং কর্মক্ষমতা দুর্বল হয়;

(২) সিলিকন কণাগুলির পৃষ্ঠে SEI ফিল্মের ছিঁড়ে যাওয়া এবং পুনর্জন্ম হওয়া, প্রচুর পরিমাণে লিথিয়াম ব্যয় করা, প্রথম প্রভাব কম এবং সঞ্চালন দুর্বল।

অতএব, সিলিকন ভিত্তিক অ্যানোড উপকরণগুলি প্রচলিত ও প্রয়োগ করতে হলে আপগ্রেড করতে হবে।

Si নেতিবাচক মিশ্রিত লিথিয়াম সঞ্চয় প্রক্রিয়া, অ্যালোইয়িং/ডিঅলয়িং প্রক্রিয়া বিশাল প্রসারণ/সঙ্কোচনের সৃষ্টি করে, অ্যাললয়িং প্রতিক্রিয়া সিলিকনের জন্য উচ্চ নির্দিষ্ট ধারণ ক্ষমতা নিয়ে আসে, কিন্তু এটি নাটকীয় ভলিউম পরিবর্তনও সৃষ্টি করে, ফলে Li15Si4 অ্যালোইয়ের আপেক্ষিক ভলিউম প্রসারণ প্রায় ৩০০% হয়।

সমগ্র ইলেকট্রোডের জন্য, প্রতিটি কণার প্রসারণ এবং সংকোচন আশেপাশের কণাগুলিকে “দাবিয়ে” দেবে, যা চাপের কারণে ইলেকট্রোড পদার্থটি ইলেকট্রোড থেকে পড়ে যেতে পারে, ফলে ব্যатарির ক্ষমতা দ্রুত হ্রাস পায় এবং সাইকেল জীবন সংক্ষিপ্ত হয়। লিথিয়ামের প্রক্রিয়ায় এম্বেড করা একক সিলিকন পাউডার কণাগুলির জন্য, বাইরের আন্তঃসন্ধানিক লি মূলোত্পন্ন অপরিবর্তিত LixSi ভলিউম প্রসারণ ঘটে, ভিতরের স্তর এম্বেড করা লিথিয়াম দ্বারা ফুলে ওঠে না, ফলে প্রতিটি সিলিকন কণায় বিশাল চাপ সৃষ্টি হয় যা একক সিলিকন কণার ফাটল সৃষ্টি করে, সঞ্চালনের প্রক্রিয়ায় ধারাবাহিকভাবে নতুন পৃষ্ঠ তৈরি করে, যা কঠিন বৈদ্যুতিক লেয়ার (SEI ফিল্ম) তৈরি করতে অব্যাহত থাকে, লিথিয়াম আয়নাকে ধারাবাহিকভাবে নিষ্কাশন করে, সামগ্রিক ব্যাটারির ক্ষমতা অবিচলিতভাবে হ্রাস পায়।

বর্তমানে, সিলিকন অ্যানোড পরিবর্তনের প্রয়োগ মূলত পরিচালন উপকরণ সংমিশ্রণ, ন্যানো/ছিদ্রযুক্ত, নতুন বন্ধনকারী উন্নয়ন, আন্তঃফলক স্থিতিশীলতা অপটিমাইজেশন এবং পূর্ব-লিথিয়াম প্রযুক্তি গবেষণার উপর কেন্দ্রিত।

১. পরিচালক উপকরণ সংমিশ্রণ

সিলিকন অ্যানোডের ইলেকট্রোকেমিক্যাল পারফরম্যান্স কোেটিং, মিশ্রণ বা একটি ভাল পরিচালক নেটওয়ার্ক হেটারোজাংশন তৈরি করে লিথিয়াম আয়নের মাইগ্রেশনের কাইনেটিক বিরক্তি হ্রাস করতে এবং সিলিকন উপকরণের প্রসারণের জন্য বাফার স্পেস প্রদান করে উন্নত করা যেতে পারে।

সাধারণভাবে পরিচিত পরিচালক উপকরণগুলির মধ্যে রয়েছে Ag, পরিচালক পলিমার, গ্রাফাইটাইজড কার্বন উপকরণ ইত্যাদি। সিলিকন এবং গ্রাফাইট উপকরণের মিশ্রণ এবং মেলানো সবচেয়ে সম্ভাবনাময় প্রয়োগের দিকে যাওয়ার দিক, সেইসাথে বর্তমানে জনপ্রিয় সিলিকন কার্বন (Si/C) অ্যানোড উপকরণ।

২. ন্যানো আকারের সিলিকন কণাগুলি

তাত্ত্বিক এবং পরীক্ষামূলক ফলাফলগুলি দেখায় যে যখন সিলিকন ন্যানো কণার আকার 150nm এর কম হয়, সিমিকন কণার আকার 380nm এর কম হয়, অথবা সিলিকন ন্যানোওয়ায়ারের রেডিয়াল প্রস্থ 300nm এর কম হয়, তখন ন্যানো-সিলিকন উপাদান তার নিজস্ব ভলিউম প্রসারণ সহ্য করতে পারে এবং লিথিয়াম আয়নের প্রথম প্রবেশের পরে পাউডার হয় না।

মাইক্রন সিলিকন কণার সাথে তুলনা করা হলে, সিলিকন ন্যানোউপকরণগুলি উচ্চতর ধারণ ক্ষমতা, আরো স্থিতিশীল গঠন এবং কর্মক্ষমতা, এবং দ্রুত চার্জিং ও ডিসচার্জিং ক্ষমতা প্রদর্শন করে। বর্তমানে, সাধারণত রাসায়নিক বাষ্প ডিপোজিশন পদ্ধতি (CVD), তরল পর্যায়ের প্রতিক্রিয়া পদ্ধতি, সিলিকন ডাইঅক্সাইড বা সিলিকেটের ম্যাগনেসিয়াম তাপীয় হ্রাস পদ্ধতি, নিম্ন তাপমাত্রার থার্মাইট হ্রাস পদ্ধতি, ইলেকট্রোকেমিক্যাল ডিপোজিশন পদ্ধতি এবং SiO2 এবং CaSiO3 এর ইলেকট্রোকেমিক্যাল রিডাকশন প্রক্রিয়ার মাধ্যমে বিভিন্ন রূপের সিলিকন ভিত্তিক ন্যানোপার্টিকেল প্রস্তুত করা হয়।

৩. সিলিকন উপাদান ছিদ্রযুক্ত

ছিদ্রযুক্ত ডিজাইন সিলিকন কার্বন অ্যানোড উপাদানের ভলিউম বিস্তারের জন্য ছিদ্র সংরক্ষণ করে, যাতে সম্পূর্ণ কণার বা ইলেকট্রোডের উপাদানগুলি উল্লেখযোগ্য কাঠামোগত পরিবর্তন সৃষ্টি না করে। ফাঁকা তৈরি করার সাধারণ পদ্ধতিগুলি হল: (১) খালিহীন সি/সি কোর-শেল কাঠামোর উপাদান প্রস্তুত করা; (২) কোর এবং শেলের মধ্যে যথেষ্ট খালি স্থান সহ সি/সি যৌগিক কেল-শেল কাঠামো প্রস্তুত করা হয়েছে। উচ্চ ক্ষমতা অ্যানোড উপাদানের ভলিউম প্রভাব হ্রাস করার জন্য এই কাঠামো ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হয়েছে। (৩) ছিদ্রযুক্ত সিলিকন উপাদান প্রস্তুতি (সিলিকন স্পঞ্জ কাঠামো, ইত্যাদি)।

সিলিকন ভিত্তিক উপাদানের ছিদ্রযুক্ত ডিজাইন লিথিয়াম ইনকর্পোরেশনের জন্য ভলিউম বিস্তারের জন্য স্থান সংরক্ষণ করে, কণার অভ্যন্তরীণ চাপ কমায় এবং কণাগুলিকে বিলম্বিত করে

কণা গুঁড়ো হওয়া সিলিকন কার্বন অ্যানোড উপাদানের সাইক্লিং কর্মক্ষমতা কিছু পরিমাণে উন্নত করতে পারে।

৪. নতুন বন্ধনকারক

শক্তিশালী বন্ধনকারক সিলিকন কণার গুঁড়ো হওয়া কার্যকরভাবে নিবারণ করতে পারে, সিলিকন ইলেকট্রোডের ক্র্যাকসকে নিবারণ করে এবং সিলিকন অ্যানোড উপাদানের চক্রবৃদ্ধি স্থায়িত্ব উন্নত করে। সাধারণ সিএমসি, পিএএ এবং পিভিডিএফ বন্ধনকারকের পাশাপাশি, টিআইও₂ আবরণ সিলিকন উপাদান বর্তমান গবেষণায় পোল চিপ ক্র্যাকের স্ব-শিক্ষণ কার্যকারিতা বাস্তবায়নের জন্য চেষ্টা করা হয়েছে। বন্ধনকারকের স্থিতিস্থাপকতা বাড়ানোর জন্য, সিলিকন অ্যানোডের ভলিউম বিস্তার এবং সংকোচনের প্রভাবকে সহ্য করাতে, উৎপন্ন চাপ মুক্ত করুন ইত্যাদি।

৫. ইন্টারফেস স্থায়িত্ব অপ্টিমাইজেশন

লিথিয়াম আয়ন ব্যাটারি সিস্টেম একটি মাল্টি-ইন্টারফেস সিস্টেম, প্রতিটি কন্টাক্ট ইন্টারফেসের স্থিতিশীলতা এবং বন্ধন শক্তি উন্নত করা লিথিয়াম আয়ন ব্যাটারি সিস্টেমের সাইকেল স্থিতিশীলতা এবং ক্ষমতার উপর গুরুত্বপূর্ণ প্রভাব ফেলে। ইলেক্ট্রোলাইটের গঠন উন্নত করে এবং SiOx প্যাসিভেশন স্তর অপসারণ করে, সিলিকন ভিত্তিক উপকরণগুলির ক্ষমতা বিকাশ এবং সাইক্লিং স্থিতিশীলতা উন্নত করা হয়েছিল। SEI ফিল্মের স্থিতিশীলতা নিশ্চিত করার জন্য সিলিকন কার্বন ইলেক্ট্রোডের উপর ZnO আবরণ করে কন্টাক্ট ইন্টারফেসটি অপ্টিমাইজ করা হয়েছিল।

৬. পি-লিথিয়েশন প্রযুক্তি

সিলিকন অ্যানোড উপাদান প্রথম চক্রের জন্য প্রচুর পরিমাণে অবক্ষয়যোগ্য লিথিয়াম খায়। সিলিকন অ্যানোডে কিছু লিথিয়াম (ধাতু লিথিয়াম গুঁড়ো বা লিxসি) পূর্বে যোগ করার পদ্ধতিকে পি-লিথিয়েশন প্রযুক্তি বলা হয়, যাতে অবক্ষয়যোগ্য লিথিয়াম লাগানোর পরিমাণে সাপ্লিমেন্ট করা হয়।

বর্তমানে, এটি সাধারণত পৃষ্ঠ-সংশোধিত শুকানো এবং স্থিতিশীল ধাতু লিথিয়াম গুঁড়ো যোগ করার জন্য ব্যবহৃত হয়, যাতে পি-লিথিয়েশন অর্জন করা যায়, অথবা লিxসি যৌগিক যোগানদার যোগ করে কৃত্রিম SEI ফিল্মের একটি রক্ষাণাবেক্ষণ স্তর গঠন করা হয়।

সিলিকন-ভিত্তিক অ্যানোড উপাদানের ৩০০% ভলিউম বিস্তার হারের তুলনায়, সিওএক্স অ্যানোড উপাদানগুলিতে নিষ্ক্রিয় উপাদান অক্সিজেনের পরিচয় সক্রিয় উপাদানের ভলিউম বিস্তার হার উল্লেখযোগ্যভাবে হ্রাস করে (১৬০%, সিলিকন অ্যানোডের ৩০০% কম), এখনও উচ্চ প্রতিক্রিয়ার ক্ষমতা (১৪০০-১৭৪০মহ/গ্রাম) রয়েছে।

তবে, বাণিজ্যিক গ্রাফাইট অ্যানোডের সাথে তুলনা করলে, সিওএক্সের ভলিউম বিস্তার এখনও গুরুতর, এবং সিওএক্স-এর বৈদ্যুতিন পরিবাহিতা সিলিকনের চেয়ে খারাপ। সুতরাং, যদি সিওএক্স উপাদানগুলোকে বাণিজ্যিক প্রয়োগে প্রবেশ করানো হয়, তবে অতিক্রম করার জন্য অসুবিধাগুলি ছোট নয়। আয়ন ব্যাটারির অ্যানোড উপাদানের একটি গবেষণা হটস্পট।

সিলিকন অক্সাইডের ইলেকট্রনিক পরিবাহিতা দুর্বল এবং লিথিয়াম আয়ন ব্যাটারির নেতিবাচক ইলেকট্রোডে এটি প্রয়োগের সবচেয়ে সাধারণ উপায় হলো এটি কার্বন পদার্থের সাথে যৌগিক করা। কার্বন উৎসের নির্বাচন যৌগিক উপকরণের কর্মক্ষমতার উপর বড় প্রভাব ফেলে। সাধারণত ব্যবহৃত কার্বন উৎসগুলির মধ্যে রয়েছে জৈব কার্বন উৎস যেমন ফেনলিক রেজিন এবং পিচ, অজৈব কার্বন উৎস যেমন ফ্রুকটোজ, গ্লুকোজ এবং সাইট্রিক অ্যাসিড, গ্রাফাইট, গ্রাফিন অক্সাইড এবং সাংবিধানিক পলিমার উপকরণ ইত্যাদি। এর মধ্যে, গ্রাফিনের দুই-মাত্রিক গঠন নমনীয় এবং গ্রাফিন-লেপিত SiOx আয়তনের সম্প্রসারণ এবং সংকোচনের প্রক্রিয়ায় স্ব-সূরক্ষণের সক্ষমতা অর্জন করতে পারে। কণার আকারে সিলিকন অক্সাইডের পাশাপাশি, এক-মাত্রিক সিলিকন অক্সাইড উপকরণগুলি লিথিয়াম আয়ন এবং ইলেকট্রনের বিস্তৃতি পরিবহণকে সহজ করবে।

সিলিকন-অক্সিজেন নেতিবাচক ইলেকট্রোডের প্রয়োগে, যদিও সিলিকন উপাদানের ভলিউম বিস্তার প্রভাব সিলিকন উপাদানের তুলনায় কম, তবুও অক্সিজেন প্রবেশের কারণে প্রথম কুলম্ব কার্যকারিতা কমে যায়, তাই প্রথম প্রভাব উন্নত করা একটি সমস্যা যা সমাধান করা প্রয়োজন।