سنتز و مشخصه‌يابي ريزساختار و خواص الكتروشيميايي اكسيد آنتروپي بالاي (FeCoNiCrMn)3O4 جهت كاربرد در آند باتري‌هاي ليتيوم يون

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي مواد و متالورژي

كارشناسي ارشد

باتري‌هاي ليتيوم يوني يكي از پركاربردترين سيستم‌هاي ذخيره انرژي در حال حاضر است و نه تنها به طور گسترده به‌عنوان ذخيره‌كننده انرژي براي دستگاه‌هاي قابل حمل استفاده مي‌شود، بلكه نقش مهمي در بازارهاي رو به رشد وسايل محرك الكتريكي ايفا مي‌كنند. لذا با توجه به گسترش استفاده از باتري‌هاي ليتيومي براي كاربردهاي ذخيره انرژي به‌ويژه خودروهاي الكتريكي پيش‌بيني مي‌شود كه تقاضا براي باتري‌هاي ليتيوم يوني در سال‌هاي آينده افزايش چشم‌گيري داشته باشد كه اين وضعيت يك ضرورت جدي براي تحقيقات به سمت راه حل¬هاي نوآورانه و زيست‌محيطي ايجاد مي‌كند. در اين پژوهش، آندهاي متشكل از اكسيدهاي آنتروپي بالا كه هنوز در مراحل اوليه تحقيقاتي قرار دارند، به دليل خواص الكتروشيميايي عالي از جمله هدايت الكتريكي، بازده كولمبي و نرخ‌پذيري به‌عنوان آند باتري‌هاي ليتيوم يوني بررسي شدند. در اولين بخش از اين تحقيق، اكسيد آنتروپي بالاي (FeCoNiCrMn)3O4 با استفاده از واكنش حالت جامد دماي بالا سنتز شد. مشخصه‌يابي ريزساختار به دست آمده با استفاده از پراش پرتو ايكس و ميكروسكوپ الكتروني عبوري انجام شد. نتايج اين دو آزمون نشان داد كه ساختار اكسيد آنتروپي بالاي حاصل شده، ساختاري تك فاز با پايداري بالا بود، همچنين توزيع عناصر فلزي در اين ساختار به طور كامل همگن بود و هيچ جدايش عنصري مشاهده نشد. آزمون گالوانواستاتيك براي اندازه‌گيري خواص الكتروشيميايي آند سنتز شده با استفاده از يك سلول سكه‌اي انجام شد. آند اكسيدآنتروپي بالا (HEO) ظرفيت "mA h " "g" ^"-1" 828 در دشارژ اول و "mA h " "g" ^"-1" 445 در شارژ اول از خود نشان داد. در ادامه، براي بهبود عملكرد الكتروشيميايي و افزايش هدايت الكتريكي با استفاده از فرآيند بسپارش، پليمر رساناي پلي‌آنيلين روي ذرات HEO پوشش داده شد. براي اطمينان از تشكيل پوشش پليمري، آزمون طيف سنجي تبديل فوريه، ميكروسكوپ الكتروني روبشي و طيف‌سنجي پراش انرژي اشعه ايكس انجام شد. آند HEO با پوشش پليمري (HEO-P) ظرفيت بالاي "mA h " "g" ^"-1" 964 در دشارژ اول و "mA h " "g" ^"-1" 612 در شارژ اول از خود نشان داد. همچنين، اين آند خواص نرخ‌پذيري خوبي با ظرفيت "mA h " "g" ^"-1" 104 در C 1 ("mA " "g" ^"-1" 2 C = 1) ارائه داد. براي مقايسه بهتر، آندهاي HEO-P و HEO با آزمون طيف‌سنجي امپدانس الكتروشيميايي و ميكروسكوپ الكتروني روبشي گسيل ميداني مورد بررسي قرار گرفتند. خواص الكتروشيميايي عالي HEO-P نسبت به HEO را مي‌توان به پوشش پلي‌آنيلين رسانا نسبت داد كه باعث شد تغييرات حجم را كاهش دهد، يكپارچگي ساختاري را در طول چرخه حفظ كند، از واكنش¬هاي جانبي بين الكتروليت و مواد الكترودي و توليد بيش از حد الكتروليت ميان¬ فازي جامد جلوگيري كند و هدايت يوني/ الكتريكي را افزايش دهد. اثر هم‌افزايي كاتيون‌هاي فلزي متعدد با شعاع، حالت ظرفيت و پتانسيل واكنش متفاوت و اثر تثبيت آنتروپي باعث شد كه HEO عملكرد الكتروشيميايي برتري داشته باشد. همچنين پوشش‌دهي با پلي‌آنيلين يك گام كليدي براي بهبود قابل توجه عملكرد آندهاي HEO جهت استفاده در باتري‌هاي ليتيوم يوني است كه مي‌تواند به بهبود كاربردهاي عملي آن كمك كند.

227064

شناسايي و انتخاب مواد

مهندسي مواد

دانشگاه صنعتي اصفهان