ساخت و ارزيابي بستر كاتدي جديد براي باتري ليتيم تيونيل كلريد با نانوكاتاليست كبالت بر پايه گرافن

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

شيمي

كارشناسي ارشد

باتري¬ ليتيم تيونيل كلريد در ميان تمام باتري¬هاي نوع اول (غيرقابل شارژ) داراي بالاترين انرژي مخصوص است. به لحاظ نظري انرژي مخصوص اين باتري¬ها درصورتي‌كه از نوع ظرفيت بالا باشند در حدود 500 وات¬ساعت به ازاي هر كيلوگرم از ماده فعال آندي است. پتانسيل مدارباز باتري ليتيم تيونيل كلريد 66/3 ولت است و ولتاژ عملياتي آن در حدود 5/3 تا 3/3 ولت متغير است. محدوده دماي عملياتي اين باتري¬ها از 40- تا 80+ درجه سانتي‌گراد است و بعضي از طراحي¬هاي اين نوع باتري مي¬تواند تا دماي 145 درجه سانتي‌گراد قابليت عملياتي خود را حفظ كند. اجزاي تشكيل‌دهنده باتري ليتيم تيونيل كلريد شامل آند ليتيمي، بستر كاتد كربني بي¬اثر و الكتروليت غيرآبي تيونيل كلريد است. تيونيل كلريد علاوه بر اينكه به‌عنوان الكتروليت مايع عمل مي¬كند، نقش ماده فعال كاتدي را نيز دارد. الكتروليت باتري علاوه بر تيونيل كلريد شامل نمك ليتيم تتراكلرو آلومينات (LiAlCl4) نيز است. ازآنجاكه تيونيل كلريد هدايت الكتريكي بسيار پاييني دارد، ضروري است تا با افزودن يك نمك رسانا، انتقال يون¬هاي ليتيم را سرعت بخشيد. نمك ليتيم تتراكلرو آلومينات علاوه بر اينكه به‌راحتي در تيونيل كلريد حل مي¬شود، نمك ارزان‌قيمتي نيز محسوب مي¬شود. در باتري¬هاي تجاري به‌منظور بهبود عملكرد از برخي افزودني¬هايي استفاده مي¬شود. از آن جمله مي¬توان به افزودني¬هايي مانند پلي وينيل كلريد كه براي كاهش تأخير ولتاژ به باتري افزوده مي¬شوند، اشاره كرد. در اين پايان¬نامه، اثردوافزودني¬ مختلف شامل نانو ذرات كبالت بر پايه گرافن اكسيد كاهش‌يافته و گرافن اكسيد كاهش‌يافته به‌عنوان الكتروكاتاليست فرآيند كاهش الكتروشيميايي تيونيل كلريد در باتري ليتيم تيونيل كلريد موردبررسي قرارگرفته است. براي ساخت بستر كربني كاتد باتري از پودر استيلن بلك 100% فشرده‌شده و محلول تفلون 60% وزني به‌عنوان چسب استفاده‌شده است. از نانوكاتاليست‌هاي كبالت بر پايه گرافن اكسيد كاهش‌يافته و گرافن اكسيد كاهش‌يافته به دو صورت در باتري ليتيم تيونيل كلريد استفاده‌شده است. در حالت اول، نانوكاتاليست¬ها تنها به‌صورت مكانيكي با بستر كربني كاتد مخلوط شده و عملكرد الكتروشيميايي سيستم مورد ارزيابي قرارگرفته است. در حالت دوم، نانوكاتاليست¬ها در حين فرآيند آماده¬سازي بستر كربني كاتد با آن كامپوزيت شده و در اين حالت نيز عملكرد الكتروشيميايي باتري مورد ارزيابي قرارگرفته است. نتايج ارزيابي‌ها نشان مي¬دهند كه بهره-گيري از الكتروكاتاليست نانو ذرات كبالت بر پايه گرافن به طرز چشمگيري مي¬تواند بر روي عملكرد الكتروشيميايي باتري¬هاي ليتيم تيونيل كلريد اثر گذارد. در حالتي كه از نانوكاتاليست¬ها به‌صورت اختلاط مكانيكي با بستر كربني كاتد باتري استفاده‌شده است، فرآيند انتقال بار بهتر انجام‌شده و كاهش الكتروشيميايي تيونيل كلريد بهتر انجام مي¬شود. همچنين در حالتي كه نانوكاتاليست¬ها با بستر كربني كاتد به‌صورت كامپوزيت يا هيبريد درآمده‌اند، علاوه بر بهبود فرآيند انتقال بار، به علت افزايش سطح‌فعال در دسترس براي فرآيند كاهش الكتروشيميايي، كاهش تيونيل كلريد به لحاظ سينتيكي با سرعت بيشتري انجام مي¬شود. فعاليت كاتاليستي نانو ذرات كبالت علاوه بر سطح زياد آن‌ها به ساختار آرايش الكتروني اوربيتال¬هاي d اتم كبالت نيز مربوط مي¬شود. پس از ارزيابي عملكردي باتري¬¬هاي مونتاژ شده محتوي اين الكتروكاتاليست¬ها، نتايج به وضوح نشان مي¬هد كه اصلاح بستركربني كاتد باتري ليتيم تيونيل كلريد به وسيله افزودن 4 تا 6 درصد وزني از الكتروكاتاليست كبالت بر پايه گرافن اكسيد كاهش يافته كاملاً نتيجه بخش بوده و مي¬تواند ظرفيت دشارژ باتري را بين 13 تا 17 درصد (بسته به نحوه افزودن الكتروكاتاليست به باتري) ارتقاء بخشد.

233520

شيمي فيزيك

شيمي

دانشگاه صنعتي اصفهان