Si/ গ্রাফাইট কম্পোজিট অ্যানোড উপাদানের প্রস্তুতকরণ পদ্ধতি

২০২৫-০৩-২৬

দ্বিতীয় লিথিয়াম আয়ন ব্যাটারিকে উচ্চ খোলা সার্কিট ভোল্টেজ, উচ্চ শক্তি ঘনত্ব, দীর্ঘ জীবনকাল, কোন দূষণ এবং ক্ষুদ্র স্ব-নিষ্ক্রিয়তার মতো সুবিধার জন্য সবচেয়ে আদর্শ শক্তি সঞ্চয় এবং রূপান্তর সরঞ্জাম হিসেবে বিবেচনা করা হয়। বর্তমানে, লিথিয়াম আয়ন ব্যাটারি ব্যাপকভাবে পোর্টেবল ইলেকট্রনিক ডিভাইস, বৈদ্যুতিক যানবাহন/হাইব্রিড বৈদ্যুতিক যানবাহন এবং শক্তি সঞ্চয় ব্যবস্থাসমূহে ব্যবহৃত হচ্ছে। বুদ্ধিমান এবং বহু-ফাংশনাল পণ্যের চাহিদার সাথে, লিথিয়াম আয়ন ব্যাটারির শক্তি ঘনত্ব বৃদ্ধি একটি গবেষণা কেন্দ্রবিন্দুতে পরিণত হয়েছে। লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারি সিস্টেমে, অ্যানোড এবং ক্যাথোড উপাদানগুলো শক্তি ঘনত্বে একটি নির্ধারক ভূমিকা পালন করে।

বর্তমানে, বিভিন্ন অ্যানোড ও অ্যানোড উপাদান এবং সঙ্গত ইলেকট্রোলাইট উন্নয়ন ও প্রয়োগ করা হয়েছে লিথিয়াম আয়ন ব্যাটারিতে। বাণিজ্যিক ব্যাটারিতে ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত ক্যাথোড উপাদান হলো গ্রাফাইট, যা প্রধানত মেজো-ফেজ কার্বন মাইক্রোস্ফিয়ার (MCMB), কৃত্রিম গ্রাফাইট এবং প্রাকৃতিক গ্রাফাইট অন্তর্ভুক্ত করে। গ্রাফাইট দ্বারা তৈরি লিথিয়াম আয়ন ব্যাটারিগুলি প্রধানত পোর্টেবল ইলেকট্রনিক পণ্যতে ব্যবহার করা হয়। সংশোধিত গ্রাফাইট শক্তি ব্যাটারি এবং শক্তি সঞ্চয় ব্যাটারিতে ব্যবহার করা হয়েছে। বাজারে উচ্চ-প্রান্তের গ্রাফাইট পণ্যগুলির নির্দিষ্ট ক্ষমতা 360mA•H•g−1 এর তাত্ত্বিক মানের কাছাকাছি এবং অসাধারণ সাইক্লিং পারফরম্যান্স রয়েছে, যা আরও উন্নতি করা কঠিন। সিমুলেশন ফলাফলগুলো দেখায় যে ক্যাথোড উপাদানের নির্দিষ্ট ক্ষমতা 1200mA•h•g−1 এর মধ্যে বৃদ্ধির মাধ্যমে ব্যাটারির শক্তি ঘনত্ব উন্নতিতে এখনও একটি বড় অবদান।

বর্তমানে, Si/গ্রাফাইট যৌগগুলির প্রস্তুতির প্রধান সমস্যা হলো কিভাবে ন্যানো-Si এবং গ্রাফাইটের একরূপ এবং স্থিতিশীল যৌগ নিশ্চিত করা যায়, যাতে যৌগগুলি উভয় উচ্চ নির্দিষ্ট ক্ষমতা এবং সাইক্লিক স্থিতিশীলতা বিবেচনায় নিতে পারে। সাধারণভাবে, ন্যানো-Si এবং গ্রাফাইটকে কাঁচামাল হিসেবে ব্যবহার করে Si/গ্রাফাইট যৌগগুলির প্রস্তুতি বিভিন্ন প্রযুক্তিগত পদ্ধতির সাথে মিলিত করতে হয়। এই গবেষণাপত্রে, আমরা শুধুমাত্র Si এবং গ্রাফাইট সমন্বয়ের এক-পর্যায়ের প্রযুক্তি ব্যবহার করেছি শ্রেণীবিভাগ করতে, যা প্রধানত সলিড-ফেজ মিশ্রণ পদ্ধতি, লিকুইড ফেজ প্রক্রিয়া এবং ভাপ প্র বিক্ষিপ্তকরণ প্রক্রিয়া অন্তর্ভুক্ত করে।

১, সলিড-ফেজ মিক্সিং পদ্ধতি

প্রাথমিক পর্যায়ে, গবেষকরা মূলত সহজ যান্ত্রিক মিশ্রণের মাধ্যমে Si/গ্রাফাইট যৌগ প্রস্তুত করেছিলেন, অর্থাৎ সলিড ফেজ মেশানোর পদ্ধতি। যদিও সলিড-ফেজ পুনর্গঠন পদ্ধতি সহজ, Si এবং গ্রাফাইটের সংযোগ ঘনিষ্ঠ নয়, এবং অনেক পরিমাণে Si ইলেকট্রোলাইটে উন্মুক্ত থাকে, যা ইলেকট্রোকেমিকাল পারফরম্যান্সে অস্বাভাবিক প্রভাব ফেলে।

যেমন, চেঙ এবং অন্যান্যরা একটি উচ্চ-শক্তির যান্ত্রিক বল মিল ব্যবহার করে মাইক্রন Si পাউডার, গ্রাফাইট পাউডার এবং মাল্টি-ওয়াল কার্বন ন্যানোটিউবকে একটি স্টেইনলেস স্টিলের বল মিল ট্যাংকে পিষে নিয়ে ন্যানো-Si/গ্রাফাইট/মাল্টি-ওয়াল কার্বন ন্যানোটিউবের একটি মিশ্রণ অর্জন করেছেন, যেখানে Si এর পরিমাণ 33wt%। ইলেকট্রোকেমিকাল পরীক্ষা দেখায় যে প্রথম বিপরীতযোগ্য নির্দিষ্ট ক্ষমতা প্রায় 2000mA•h•g−1 ছিল যখন বর্তমান ঘনত্ব 35mA•g−1, এবং বিপরীতযোগ্য নির্দিষ্ট ক্ষমতা 20 চক্রের পর 584mA•h•g−1 এ স্থির থাকে।

জু ইত্যাদি মেটাল ক্যাটালিটিক ইটিং দ্বারা প্রায় 100nm ব্যাসের সি ন্যানোওয়ার তৈরি করেছিলেন, এবং তারপরে ডাইরেক্টবল-মিলিং করে 15wt% সি ন্যানোওয়ারকে মাইক্রন গ্রাফাইট পাউডারের সাথে মিশিয়ে সি ন্যানোওয়ার/গ্রাফাইট অ্যানোড উপাদান প্রস্তুত করেছিলেন। প্রথম কোলম্ব দক্ষতা ছিল 74% এবং বিপরীতযোগ্য নির্দিষ্ট ধারণক্ষমতা ছিল 514mA পর 15 চক্র • H • G −1। চিন সি/এমএন/গ্রাফাইট মাইক্রন-গ্রেড কম্পোজিটগুলি মেকানিক্যাল বল মিলিংয়ের মাধ্যমে মাইক্রন-গ্রেড সি পাউডার, এমএন পাউডার এবং গ্রাফাইটের মিশ্রণে অর্জন করেছেন, যেখানে সি কনটেন্ট ছিল 20wt%। প্রথম কোলম্ব দক্ষতা 70%, এবং বিপরীতযোগ্য নির্দিষ্ট ধারণক্ষমতা 463mA•h•g−1 20 চক্র পরে, যখন কারেন্ট ডেনসিটি ছিল 0.15mA•cm−2।

হুইটিংহ্যাম এট আল। সি-পাউডার, অ্যালুমিনিয়াম পাউডার এবং গ্রাফাইটের মেকানিক্যাল বল মিলিংয়ের মাধ্যমে সি-এল-গ্রাফাইট কম্পোজিটস প্রাপ্ত করেছেন, যার সি কন্টেন্ট ৭.৯%। ০.৫ মি.এ.•সেম−২ কারেন্ট ডেনসিটিতে, প্রথম রিভার্সিবল স্পেসিফিক ক্যাপাসিটি ৮০০ মি.এ.•ঘণ্টা•গ্রাম−১ এবং কুলম্ব দক্ষতা ৮০%। ১০ সাইকেলের পরে, রিভার্সিবল স্পেসিফিক ক্যাপাসিটি প্রায় ৭০০ মি.এ.•ঘণ্টা•গ্রাম−১ থাকে।

কিম এট আল। মাইক্রন সি-পাউডার বল মিলে nano-Si পাউডার প্রস্তুত করেছেন এবং পরে এটিকে পিচ এবং গ্রাফাইট শীটের সাথে মিশ্রণ করেছেন। মেকানিক্যাল গ্রানুলেশন এবং উচ্চ তাপমাত্রার ক্যালসিনেশনের পরে, nano-Si/অ্যামর্ফাস কার্বন/গ্রাফাইট গোলাকার কম্পোজিট উপাদান পাওয়া যায়, যার মধ্যে সি কন্টেন্ট প্রায় ২০%। পণ্যের গঠন চিত্র ২ এ প্রদর্শিত হয়েছে। বৈদ্যুতিন রসায়নিক পরীক্ষাগুলি দেখায় যে প্রথম রিভার্সিবল স্পেসিফিক ক্যাপাসিটি ১৪০ মি.এ.•গ্রাম−১ কারেন্ট ডেনসিটিতে ৫৬০ মি.এ.•ঘণ্টা•গ্রাম−১ এবং প্রথম কুলম্ব দক্ষতা ৮৬%, এবং ৩০ সাইকেলের পরে রিভার্সিবল স্পেসিফিক ক্যাপাসিটি ৮০% অব্যাহত থাকে। তৃতীয় পদার্থ M (M = ধাতু, গ্রাফিন অথবা অ্যামর্ফাস কার্বন) এর পরিচয় সি এবং গ্রাফাইটের মধ্যে ঘনিষ্ঠ বন্ধনকে উৎসাহিত করতে পারে এবং উপাদানের বৈদ্যুতিক পরিবাহীতা বাড়াতে সহায়ক, এটি সি/গ্রাফাইট কম্পোজিটস প্রস্তুতির জন্য একটি নতুন ডিজাইন ধারণা প্রদান করে।

দুই, লিকুইড ফেজ জটিল পদ্ধতি

লিকুইড ফেজ কম্পোজিট প্রক্রিয়া কাঁচামালগুলিকে একটি কোমল পরিবেশে আরও সমানভাবে ছড়িয়ে দিতে পারে এবং সাধারণত সি এবং গ্রাফাইটের সংমিশ্রণকে উৎসাহিত করতে তৃতীয় পদার্থ এম (অ্যামর্ফাস কার্বন, গ্রাফিন, ধাতু, ধাতব সিলাইড ইত্যাদির) পরিচয় দেয়, যা সি/গ্রাফাইট কম্পোজিট প্রস্তুতির প্রধান দিক।

গুয়ে এট আল। পূর্ণরূপে ন্যানো-সি, পরিষ্কার অ্যাসিড এবং ফলকগ্রাফাইটকে ইথানল সমাধানে বিতরণ করেছিলেন। শুকানোর পরে, তারা ৫০০℃ তে ক্যালসিন করে ন্যানো-সি/অ্যামর্ফাস কার্বন/গ্রাফাইট কম্পোজিটস অর্জন করেন, যেখানে অ্যামর্ফাস কার্বন দৃঢ়ভাবে "বন্ধন" করেছে ন্যানো-সি কে গ্রাফাইটের পৃষ্ঠে, এবং সি-এর ভর অংশের আনুপাতিকতা প্রায় ৭.২% ছিল। বৈদ্যুতিন রসায়নিক পরীক্ষাগুলি দেখাচ্ছে যে প্রথম কুলম্ব দক্ষতা প্রায় ৮০% এবং রিভার্সিবল স্পেসিফিক ক্যাপাসিটি ০.১এ•গ্রাম−১ এ ৪৭৬ মি.এ.•ঘণ্টা•গ্রাম−১ এবং ১০০ সাইকেলের পরে স্পেসিফিক ক্যাপাসিটি ৮৬% হিসাবে রয়ে গেছে।

সাও এট আল। বাণিজ্যিক ন্যানো-সি পাউডার এবং গ্রাফাইট শীটকে কাঁচামাল হিসেবে ব্যবহার করেছেন, মেকানিক্যাল বল মিলিং, স্প্রে ড্রাইং প্রযুক্তি এবং উচ্চ তাপমাত্রার ক্যালসিনেশন একত্রিত করে ন্যানো-সি/অ্যামর্ফাস কার্বন/গ্রাফাইট কম্পোজিটস অর্জন করেছেন, যার মধ্যে সি কনটেন্ট প্রায় ১০%। চিত্র ৩ প্রস্তুতির প্রক্রিয়ার একটি ফ্লো চার্ট দেখায়। প্রাপ্ত সর্বশেষ নমুনাগুলি হল মিক্রন কণাগুলি যা গ্রাফাইট শীট, সি ন্যানোপার্টিকেল এবং অ্যামর্ফাস কার্বন নিয়ে গঠিত, যেটি চিত্র ৪ এ প্রদর্শিত হয়েছে। ০.২এ•গ্রাম−১ কারেন্ট ডেনসিটিতে, প্রথম রিংয়ের কুলম্ব দক্ষতা ৭৪% এবং রিভার্সিবল স্পেসিফিক ক্যাপাসিটি ৫৮৭ মি.এ.•ঘণ্টা•গ্রাম−১। একটি কারেন্ট ডেনসিটিতে ০.৫এ•গ্রাম−১ ৩০০ সাইকেলের জন্য রিভার্সিবল স্পেসিফিক ক্যাপাসিটি ৪২০ মি.এ.•ঘণ্টা•গ্রাম−১ রাখা হয়।

সু, যেমন মেকানিক্যাল বল পেষণে মাইক্রন সাইজ সি পাউডার দিয়ে ন্যানো সি পাউডার (১০০ ন্যানোমিটার) প্রস্তুতি, জল সমাধানে, ন্যানো সি, গ্লুকোজ, গ্রাফিটাইজড কার্বন ন্যানো বল সমানভাবে বিতরণ করা হয়, স্প্রে ড্রাইং গ্রানুলেশন পরে মাইক্রো বল প্রাকৌতাবস্তুতে চলে যায়, ৯০০℃ ক্যালসিনেশন প্রক্রিয়ার পরে ইনার্ট গ্যাসের মধ্যে সি/অ্যামর্ফাস কার্বন/গ্রাফাইট কম্পোজিট উপাদানগুলির জন্য, যার মধ্যে সি কন্টেন্ট ৫ ওজন শতাংশ। ফলস্বরূপ পণ্য হল বহির্ভূত কাঠামোর সাথে মাইক্রন গোলক, যা চিত্র ৫ এ প্রদর্শিত হয়েছে। বৈদ্যুতিন মাপসমূহ দেখাচ্ছে যে রিভার্সিবল স্পেসিফিক ক্যাপাসিটিগুলি ৫০০ এবং ১০০০ মি.এ.•গ্রাম−১ এ যথাক্রমে ৪৩৫ এবং ৩৮০ মি.এ.•ঘণ্টা•গ্রাম−১। ৫০ মি.এ.•গ্রাম−১ এর ১০০ সাইকেলের পরে রিভার্সিবল স্পেসিফিক ক্যাপাসিটি ৪৮৩ মি.এ.•ঘণ্টা•গ্রাম−১, কিন্তু প্রথম কুলম্ব দক্ষতা শুধু ৫১% হয়, প্রধানত কারণ ন্যানো-মাপের কণাগুলি বড় স্পেসিফিক পৃষ্ঠ রয়েছে এবং একটি বড় সংখ্যা SEI ফিল্ম তৈরি করে।

কিম এবং সহযোগীরা প্রথমে কোল পিচ টেট্রাহাইড্রোফুরানে দ্রবীভূত করেন, এরপর ন্যানো-সিলিকন পাউডার এবং গ্রাফাইট মাইক্রোশিয়ারের সাথে যোগ করেন। আল্ট্রাসোনিক ডিসপার্সনের পর, টেট্রাহাইড্রোফুরান বাষ্পীভূত হয় একটি প্রাক্রমণ মিশ্রণ অর্জনের জন্য, যার মধ্যে সিলিকনের এবং গ্রাফাইটের অনুপাত কাঁচামাল যোগ করার মাধ্যমে নিয়ন্ত্রণ করা যায়। 1000℃ এর আর গ্যাসের পরিবেশে কালসিনেশন করার পর, অ্যাসফল্ট পিরোলিসিস থেকে উৎপন্ন অমরফাস কার্বন সিলিকন ন্যানোপার্টিকেলকে গ্রাফাইট মাইক্রোশিয়ারের পৃষ্ঠের সাথে “স্টিক” করে, যা ফিগার 6-এ দেখানো হয়েছে। চূড়ান্ত পণ্য হল “আলু আকৃতির” কণাগুলি, এবং সিলিকন ন্যানোপার্টিকেলগুলি গ্রাফাইট বল গুলির বাইরের স্তরে সমানভাবে মিশ্রিত রয়েছে।

যখন বর্তমান ঘনত্ব 0.15A•g−1, সিলিকনের ভর শতাংশ 15% এর যৌগগুলোর প্রথম বিপরীতযোগ্য নির্দিষ্ট ক্ষমতা এবং প্রথম কুলম্ব দক্ষতা 712mA•h•g−1 এবং 85% যথাক্রমে। 100 চক্রের পর, বিপরীতযোগ্য নির্দিষ্ট ক্ষমতা 80% রয়ে যায়। সিলিকনের পরিমাণ বাড়ানোর সঙ্গে সঙ্গে, যৌগের নির্দিষ্ট ক্ষমতা উন্নত হয়, কিন্তু চক্রের স্থিতিশীলতা তেমন বেশি নয়, প্রধানত সিলিকনের ভলিউম সম্প্রসারণের কারণে।

তিন, রসায়নিক বাষ্প নিঃসরণ

রসায়নিক বাষ্প নিঃসরণ মূলত গ্রাফাইটের উপর ভিত্তি করে। উচ্চ তাপে সিলেনের পিরোলিসিসের মাধ্যমে গ্রাফাইটের পৃষ্ঠে সিলিকন জমা হয়। বাষ্প নিঃসরণের সবচেয়ে বড় সুবিধা হল যে সিলিকন ন্যানোপার্টিকেলগুলি গ্রাফাইটের পৃষ্ঠে সমানভাবে বিতরণ করা যায়। হোলজাপফেল এবং সহযোগীরা রসায়নিক বাষ্প নিঃসরণের মাধ্যমে গ্রাফাইট শীটের পৃষ্ঠে সিলিকন ন্যানোপার্টিকেলের একটি স্তর সরাসরি বৃদ্ধি করেন (সিলিকন কণার মাপ 10-20nm, ভর শতাংশ 7.1%)। ইলেক্ট্রোকেমিক্যাল পরীক্ষাগুলি দেখায় যে প্রথম বিপরীতযোগ্য নির্দিষ্ট ক্ষমতা 520mA•h•g−1, কুলম্ব দক্ষতা 75%, এবং বর্তমান ঘনত্ব 10mA•g−1 হলে বিপরীতযোগ্য নির্দিষ্ট ক্ষমতা 470mA•h•g−1।

চো এবং সহযোগীরা ধাতব নিকেল দ্বারা উদ্দীপিত গ্রাফাইট মাইক্রোশিয়ার খোদাই করে ফাঁকা গ্রাফাইট পান এবং তারপর ধাতব সোনার সিলেনের ক্যাটালিটিক ক্র্যাকিংয়ের মাধ্যমে ফাঁকা গ্রাফাইটে সিলিকন ন্যানোবাসের বৃদ্ধি করেন। সিলিকন ন্যানোবাস/গ্রাফাইট যৌগ পাওয়া গেছে যেখানে সিলিকনের ভর শতাংশ 20%। ফিগার 7 প্রস্তুতি প্রক্রিয়ার সিমুলেশন ডায়াগ্রাম দেখায়। যখন বর্তমান ঘনত্ব 0.05c (1C = 1050mA•h•cm−2) ছিল, প্রথম চক্রের বিপরীতযোগ্য নির্দিষ্ট ক্ষমতা এবং কুলম্ব দক্ষতা যথাক্রমে 1230mA•h•cm−2 এবং 91% ছিল। 0.2c এ 100 চক্রের জন্য বিপরীতযোগ্য নির্দিষ্ট ক্ষমতা 1014mA•h•cm−2 ছিল এবং কোন স্পষ্ট দুর্বলতা পরিলক্ষিত হয়নি।

সারাংশ এবং ভবিষ্যত

সারসংক্ষেপে, সিলিকন ন্যানোক্রিস্টালাইন গ্রাফাইটের যৌগিক প্রক্রিয়া মূলত সলিড ফেজ পদ্ধতি, লিকুইড ফেজ পদ্ধতি এবং গ্যাস ফেজ ডিপোজিশন পদ্ধতি অন্তর্ভুক্ত করে, স্প্রে ড্রাইং, মেকানিক্যাল গ্রানুলেশন, উচ্চ তাপ সিন্টারিং এবং অন্যান্য প্রযুক্তিগত মাধ্যমের সাথে মিলিত হয়। সাধারণভাবে, একটি তৃতীয় পর্যায়ের উপাদানের (অমরফ কার্বন, গ্রাফেন, ধাতু, ধাতব সিলিসাইড) পরিচয় আরও সিলিকন এবং গ্রাফাইটের সমতল পুনঃসংগ্রহকে উন্নীত করতে পারে, যাতে দু'টি দৃঢ়ভাবে একত্রে “বন্ধন” ঘটে, পাশাপাশি একটি ত্রিমাত্রিক পরিবাহক নেটওয়ার্ক গঠন করে এবং ন্যানো সিলিকন এবং ইলেকট্রোলাইটের মধ্যে সরাসরি যোগাযোগ এড়িয়ে চলতে পারে।