ساخت و مشخصه‌يابي تركيب كامپوزيتي گرافيت - Li4Ti5O12 جهت استفاده در آند باتري‌هاي ليتيم-يوني

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي مواد - متالورژي

دكتري

در مطالعه حاضر، كامپوزيت‌هاي گرافيت – ليتيم تيتانيوم اكسيد تهيه گرديده و اثر شرايط فرآيند توليد، بهترين شرايط توليد كامپوزيت و كارايي كامپوزيت‌ها در آند در باتري‌هاي ليتيم يوني بررسي شد. بهترين ميانگين اندازه ذرات پس از 5 ساعت آسياب گلوله‌اي برابر با 4/9 ميكرون بود. همچنين نتايج تصويربرداري ميكروسكوپ الكتروني و پراش پرتو ايكس نشان داد كه بهترين كارايي با استفاده از 70 يا 90 درصد وزني گرافيت بدست خواهد آمد. در نهايت، بررسي اثر دما نشان داد كه واكنش توليد ليتيم تيتانيوم اكسيد در دماهاي 650 و 750 درجه سانتيگراد تكميل نشده ولي در دماي 850 واكنش تكميل شده است. در ادامه، روش طراحي آزمايش تاگوچي براي مشخص كردن شرايط بهينه ساخت كامپوزيت با استفاده از ظرفيت سل كامل به انواع خروجي استفاده گرديد. نتايج طراحي آزمايش نشان داد كه بهترين شرايط توليد شامل زمان آسياب گلوله‌اي 5 ساعت با سرعت 300 دور بر دقيقه، دماي عمليات حرارتي 850 درجه سانتيگراد و ميزان گرافيت 70 و يا 90% وزني مي‌باشد. بررسي‌هاي شارژ و دشارژسل كامل نشان داد كه آند حاوي 90% گرافيت داراي ظرفيت mA.h.g-1 73/124 با بازده كولني اوليه 63/97% و آند داراي 70 درصد وزني گرافيت داراي ظرفيت mA.h.g-1 14/116 با بازده كولني اوليه 62/95% بودند كه بهبود قابل توجهي نسبت به آند ليتيم تيتانيوم اكسيد صنعتي (LTO) نشان مي‌دهند. افت ظرفيت بين سيكل دشارژ اول و دوم در نمونه گرافيت 90% - LTO از ساير نمونه‌ها كمتر بوده و بررسي پايداري چرخه در سيكل‌هاي متوالي نشان داد كه كامپوزيت‌هاي گرافيت LTO داراي پايداري چرخه بهتري نسبت به LTO صنعتي بودند به صورتي كه كاهش ظرفيت آنها در 20 سيكل متوالي حدود يك سوم كاهش ظرفيت در LTO مي‌باشد. محاسبه ضريب نفوذ ليتيم در سل كامل نشان داد كه بيشترين ضريب نفوذ مربوط به نمونه گرافيت 70% - LTO با مقدار 1.356×10^(-11) 〖cm〗^2.s^(-1) و كمترين ضريب نفوذ مربوط به آند LTO صنعتي با مقدار 2.968×10^(-14) 〖cm〗^2.s^(-1) مي‌باشد. بررسي ميكروسكوپي FE-SEM آندها پس از 20 سيكل استفاده در باتري نشان داد كه هر دو كامپوزيت گرافيت 70% - LTO و گرافيت 90% - LTO فاقد ساختارهاي دندريتي ليتيم شكل گرفته روي سطح آند گرافيت بوده و ساختاري مشابه ماده LTO صنعتي پس از استفاده در باتري دارند. اين مطلب نشان مي‌دهد كه خواص مناسب LTO براي جلوگيري از تشكيل ساختارهاي دندريتي ليتيم در كامپوزيت‌ها حفظ شده است. بررسي‌هاي XPS نشان داد كه دو كامپوزيت بهينه داراي رفتار مشابه در زمان استفاده در باتري بوده اما پيوندهاي ميان گرافيت و LTO در كامپوزيت حاوي 70% گرافيت قوي‌تر است. شبيه‌سازي خواص سل باتري صنعتي با استفاده از داده‌هاي آزمايشگاهي بدست آمده نيز نشان دهنده كارايي مناسب آند كامپوزيتي در كاربردهاي صنعتي بود.

236193

مواد - متالورژي

مهندسي مواد

دانشگاه صنعتي اصفهان