কেন পোরাস কার্বন সিভিডি সিলিকন-কার্বন অ্যানোডের "কাঠামোগত মেরুদণ্ড"?

সিলিকন-ভিত্তিক অ্যানোড এর তাত্ত্বিক নির্দিষ্ট ক্ষমতা ৪২০০ mAh/g। এটি ঐতিহ্যবাহী গ্রাফাইট অ্যানোডের ৩৭২ mAh/g-কে ছাড়িয়ে গেছে। এটি প্রচলিত অ্যানোডের কর্মক্ষমতা বাধা ভাঙার জন্য একটি গুরুত্বপূর্ণ দিক হয়ে উঠেছে। রাসায়নিক বাষ্প জমা (CVD) প্রযুক্তি কার্বন সাবস্ট্রেটের উপর অভিন্ন সিলিকন জমা করার অনুমতি দেয়। এটি একটি স্থিতিশীল সিলিকন-কার্বন ইন্টারফেসও তৈরি করে। এই প্রক্রিয়াটি সিলিকন-কার্বন অ্যানোডের বাণিজ্যিকীকরণের মূল পথ হয়ে উঠেছে। এই প্রক্রিয়ায়, ছিদ্রযুক্ত কার্বন পদার্থ কেবল "বাহক" নয়। তারা হল "কোর স্ক্যাফোল্ড" যা CVD সিলিকন-কার্বন অ্যানোডের কর্মক্ষমতা সীমা নির্ধারণ করে। তাদের কর্মক্ষমতা সরাসরি যৌগিক উপাদানের তড়িৎ রাসায়নিক কর্মক্ষমতা এবং বাণিজ্যিকীকরণের সম্ভাব্যতাকে প্রভাবিত করে।

ছিদ্রযুক্ত কার্বনের মৌলিক ধারণা

ছিদ্রযুক্ত কার্বন হল একটি কার্বন-ভিত্তিক উপাদান যার ছিদ্রগুলি আন্তঃসংযুক্ত। IUPAC মান অনুসারে, ছিদ্রগুলিকে মাইক্রোপোর (<2 nm), মেসোপোর (2-50 nm) এবং ম্যাক্রোপোর (>50 nm) হিসাবে শ্রেণীবদ্ধ করা হয়। বিভিন্ন ছিদ্র আকারের কাঠামোগত বৈশিষ্ট্যগুলি CVD সিলিকন-কার্বন অ্যানোডে তাদের কার্যকারিতা নির্ধারণ করে।
ছিদ্রযুক্ত কার্বনের বৈদ্যুতিক প্রতিরোধ ক্ষমতাও কম। এটি উচ্চ তাপমাত্রা, অ্যাসিড এবং ক্ষার প্রতিরোধী। এটি একটি স্থিতিশীল পরিবাহী নেটওয়ার্ক তৈরি করতে পারে, যা ইলেকট্রোড চক্রের জীবনকাল নিশ্চিত করে। বিভিন্ন CVD সিলিকন-কার্বন অ্যানোড কর্মক্ষমতা প্রয়োজনীয়তা পূরণের জন্য প্রক্রিয়া চলাকালীন ছিদ্র অনুপাত এবং ছিদ্রতা সামঞ্জস্য করা যেতে পারে।

সিভিডি সিলিকন-কার্বন অ্যানোডে ছিদ্রযুক্ত কার্বনের মূল ভূমিকা এবং সুবিধা

বর্তমানে, সিভিডি সিলিকন-কার্বন অ্যানোডের শিল্পায়ন দুটি প্রধান চ্যালেঞ্জের মুখোমুখি:

সিলিকনের আয়তনের প্রসারণ লিথিয়াম সন্নিবেশের সময় ইলেকট্রোড পাল্পারাইজেশন এবং সক্রিয় উপাদান ঝরে পড়ার কারণ হয়।

পার্শ্ব প্রতিক্রিয়া সিলিকন এবং ইলেক্ট্রোলাইটের মধ্যে পুরু SEI স্তর তৈরি করে, যা ব্যাটারির প্রথম-চক্রের দক্ষতা এবং চক্রের আয়ু হ্রাস করে।
ছিদ্রযুক্ত কার্বন এই দুটি সমস্যার সমাধান দেয়:

বাফারিং সিলিকনের আয়তন সম্প্রসারণ:
ছিদ্রযুক্ত কার্বনের বহু-স্তরের ছিদ্র কাঠামো একটি "তিন-স্তরের বাফার সিস্টেম" গঠন করে। এই ছিদ্রগুলি সিলিকনকে প্রসারিত করার জন্য ভৌত স্থান প্রদান করে। এগুলি স্থিতিস্থাপক বিকৃতির মাধ্যমে চাপ ছড়িয়ে দেয়, কণা ভাঙার ঝুঁকি হ্রাস করে। মেসোপোরগুলি সিলিকন কণার আকারের সাথে মিলে যায়। লিথিয়াম সন্নিবেশের পরে, সিলিকন এই ছিদ্রগুলিকে প্রসারিত করে এবং পূরণ করে, কণাগুলির মধ্যে পারস্পরিক সংকোচন রোধ করে।

ইলেক্ট্রোলাইট থেকে সিলিকন বিচ্ছিন্ন করা এবং SEI স্তর স্থিতিশীল করা:
একদিকে, ছিদ্রযুক্ত কার্বনের কার্বন কঙ্কাল সিলিকন ন্যানো পার্টিকেলের চারপাশে মোড়ানো থাকে। এটি সিলিকন এবং ইলেক্ট্রোলাইটের মধ্যে সরাসরি যোগাযোগ হ্রাস করে। সিভিডিতে সেকেন্ডারি কার্বন আবরণও জড়িত। এটি ছিদ্রযুক্ত কার্বন/সিলিকন যৌগিক উপাদানের পৃষ্ঠে একটি ঘন কার্বন স্তর তৈরি করে। দ্বৈত বিচ্ছিন্নতা 60% এর বেশি পার্শ্ব প্রতিক্রিয়া হ্রাস করে। অন্যদিকে, হ্রাসকৃত পার্শ্ব প্রতিক্রিয়া সিলিকন কণা ফ্র্যাকচারের কারণে SEI স্তরগুলি তৈরি এবং ঝরে পড়া রোধ করে। এটি শক্তি রূপান্তর দক্ষতা এবং চক্রের জীবনকাল উন্নত করে।

ছিদ্রযুক্ত কার্বনের প্রস্তুতির পদ্ধতি

সক্রিয়করণ পদ্ধতি

সক্রিয়করণ পদ্ধতিতে কার্বন পূর্বসূরীদের সক্রিয়কারী এজেন্টের সাথে মিশ্রিত করা এবং উচ্চ-তাপমাত্রার জড় গ্যাসের পরিস্থিতিতে ছিদ্র তৈরির বিক্রিয়া সম্পাদন করা জড়িত। এই পদ্ধতিতে ভৌত সক্রিয়করণ এবং রাসায়নিক সক্রিয়করণ অন্তর্ভুক্ত রয়েছে।

(1) শারীরিক সক্রিয়করণ:
জৈববস্তুপুঞ্জ বা কয়লা-ভিত্তিক উপকরণ যেমন নারকেলের খোসা বা অ্যানথ্রাসাইট পূর্বসূরী হিসেবে ব্যবহার করা হয়। চূর্ণবিচূর্ণ এবং অপরিষ্কার অপসারণের পর, উপাদানটিকে উচ্চ তাপমাত্রায় কার্বনাইজ করা হয় যাতে একটি প্রাথমিক কার্বন কঙ্কাল তৈরি হয়। কার্বন কঙ্কাল খোদাই করে ছিদ্র তৈরি করতে 800-1100°C তাপমাত্রায় CO₂ বা বাষ্পকে সক্রিয়কারী এজেন্ট হিসেবে প্রবর্তন করা হয়। ঠান্ডা এবং স্ক্রিনিংয়ের পরে, পণ্যটি প্রস্তুত। এই পদ্ধতিটি পরিবেশ বান্ধব, কোনও রাসায়নিক বিকারক অবশিষ্টাংশ ছাড়াই, কম খরচে এবং মাঝারি থেকে নিম্ন-প্রান্তের জন্য উপযুক্ত। ছিদ্রযুক্ত কার্বন উৎপাদন। তবে, মেসোপোরের পরিমাণ সাধারণত 50% এর নিচে সীমাবদ্ধ থাকে, যা উচ্চ-সিলিকন-লোডের প্রয়োজনীয়তা পূরণ নাও করতে পারে।
(2) রাসায়নিক সক্রিয়করণ:
ফেনোলিক রজন বা অ্যানথ্রাসাইটের মতো উচ্চ-কার্বন পদার্থগুলিকে পূর্বসূরী হিসেবে ব্যবহার করা হয়। পূর্বসূরীকে 3:1 অনুপাতে একটি সক্রিয়কারী এজেন্টের সাথে মিশ্রিত করা হয়। তারপর এটি কার্বনাইজেশন এবং সক্রিয়করণের জন্য উত্তপ্ত করা হয়। বিক্রিয়ার পরে, সক্রিয়কারী এজেন্টটি ধুয়ে ফেলা হয় এবং উপাদানটি শুকানো হয়। রাসায়নিক সক্রিয়করণ ব্যবহার করে তৈরি ছিদ্রযুক্ত কার্বনে মেসোপোরের পরিমাণ বেশি, ছিদ্র কাঠামো নিয়ন্ত্রণ শক্তিশালী এবং পৃষ্ঠের ক্ষেত্রফল 2500-3000 বর্গমিটার/গ্রাম পর্যন্ত থাকে।

টেমপ্লেট পদ্ধতি

টেমপ্লেট পদ্ধতিতে, কার্বন প্রিকার্সারগুলিকে টেমপ্লেটগুলিতে ভরা হয় এবং উচ্চ তাপমাত্রায় উত্তপ্ত করা হয়। প্রিকার্সারটি ধীরে ধীরে কার্বনাইজ হয় এবং তারপর টেমপ্লেটটি সরিয়ে ছিদ্রযুক্ত কার্বন পাওয়া যায়। পদ্ধতিটি শক্ত টেমপ্লেট এবং নরম টেমপ্লেট পদ্ধতিতে বিভক্ত।
(1) হার্ড টেমপ্লেট পদ্ধতি:
অ্যালুমিনা বা স্থির ছিদ্র কাঠামো সহ আণবিক চালনীর মতো উপাদানগুলি টেমপ্লেট হিসাবে ব্যবহৃত হয়। পূর্বসূরী টেমপ্লেট ছিদ্রগুলিতে গর্ভধারণ করা হয়। 800-1000°C তাপমাত্রায় কার্বনাইজেশনের পরে, পরিপূরক ছিদ্র কাঠামো সহ ছিদ্রযুক্ত কার্বন পেতে অ্যাসিড ব্যবহার করে টেমপ্লেটটি দ্রবীভূত করা হয়। এই পদ্ধতিটি 90% এর চেয়ে বেশি মেসোপোর অর্ডার এবং ছিদ্র আকারের বিচ্যুতি <5% অর্জন করে। এটি সিলিকনের অভিন্ন জমা নিশ্চিত করে, তবে টেমপ্লেটের খরচ বেশি এবং প্রক্রিয়াটি জটিল। এটি ল্যাব গবেষণা বা ছোট আকারের উচ্চ-স্তরের উৎপাদনের জন্য ব্যবহৃত হয়।
(2) নরম টেমপ্লেট পদ্ধতি:
ব্লক কোপলিমার বা সার্ফ্যাক্ট্যান্টগুলি টেমপ্লেট হিসাবে ব্যবহৃত হয়। সুক্রোজ বা ফেনোলিক রেজিনের মতো কার্বন পূর্বসূরীর সাথে মিশ্রিত হলে এগুলি মেসোপোরাস মাইকেলেতে স্ব-একত্রিত হয়। এরপর মিশ্রণটি 600-800°C তাপমাত্রায় কার্বনাইজ করা হয়। এই পদ্ধতির ফলে মেসোপোর তৈরি হয় যার কাঠামোর 60-70% থাকে, হার্ড টেমপ্লেট পদ্ধতির তুলনায় খরচ কম।

সল-জেল পদ্ধতি

সল-জেল পদ্ধতিতে অ্যালকোহল লবণ বা ধাতব অজৈব লবণ দ্রাবকগুলির সাথে মিশিয়ে একটি দ্রবণ তৈরি করা হয়, যা হাইড্রোলাইসিস এবং ঘনীভবনের মাধ্যমে সল-জেল তৈরি করে। বার্ধক্য, শুকানো এবং নিম্ন-তাপমাত্রার সিন্টারিংয়ের পরে, ছিদ্রযুক্ত কার্বন উৎপন্ন হয়। সল-জেল সংশ্লেষণে, শুকানোর পর্যায়ে ছিদ্র ভেঙে যেতে পারে। এটি এড়াতে, টেমপ্লেট পদ্ধতিটি প্রায়শই সল-জেল পদ্ধতির সাথে একত্রে ব্যবহার করা হয়।

এপিক পাউডার

এপিক পাউডারের পাউডার প্রক্রিয়াকরণে ২০ বছরেরও বেশি অভিজ্ঞতা রয়েছে। আমরা ক্রাশিং, গ্রাইন্ডিং, শ্রেণীবিভাগ থেকে পরিবর্তনছিদ্রযুক্ত কার্বন পদার্থের প্রস্তুতি অপ্টিমাইজ করার মাধ্যমে, আমরা সিভিডি সিলিকন-কার্বন অ্যানোডের জন্য উন্নত কর্মক্ষমতা এবং দীর্ঘমেয়াদী সাইক্লিং নিশ্চিত করি, যা উচ্চ-কার্যক্ষমতাসম্পন্ন লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারির বাণিজ্যিকীকরণে অবদান রাখে।