26074

ساخت و ارزيابي الكتروليت جامد پليمري از آلياژ پلي كاپرولاكتون / پلي (وينيل استات) حاوي نانوذره دي اكسيد تيتانيوم براي باتري‌ يون ليتيوم

كارشناسي ارشد

مهندسي شيمي

1397

30/80/1400

شوشن روشن ضمير

فواد مهري

مهندسي شيمي

امروزه استفاده از الكتروليت جامد به دليل چالش‌هاي الكتروليت مايع آلي كه مهم‌ترين آن عدم ايمني و امكان اشتعال است، بسيار مورد توجه قرار گرفته‌است. در بين الكتروليت‌هاي جامد، الكتروليت جامد پليمري به دليل روش توليد آسان، حساسيت كمتر به رطوبت و هوا و قابليت شكل‌دهي بيشتر از ديگر انواع الكتروليت جامد مورد توجه محققين قرار گرفته است. از اين رو در اين پژوهش به بررسي و بهبود عملكرد الكتروليت جامد پليمري پرداخته شد. پلي‌كاپرولاكتون(PCL) و پلي (وينيل استات)(PVAc) به عنوان پليمرهاي آميخته پليمري همراه با نمك ليتيوم ‌بيس ‌تري فلورومتان سولفونيل‌ ايميد در اين پژوهش به كار گرفته شدند. همچنين براي تهيه كامپوزيت پليمري با اين آميخته، نانوذره تيتانيا(TiO2) به اين تركيب افزوده شد. آزمون‌هاي تعيين مشخصات همچون‌ گرماسنجي ديفرانسيلي جهت ارزيابي ميزان بلورينگي و امتزاج پذيري پليمرها، طيف سنجي مادون قرمز جهت ارزيابي ميزان برهمكنش بين گروه‌هاي عاملي موجود، استحكام مكانيكي جهت ارزيابي ميزان استحكام الكتروليت پليمري براي ايمني باتري و همچنين ميكروسكوپ الكتروني روبشي نشر ميداني جهت مشاهده توزيع ذرات در نظر گرفته شدند. به علاوه، الكتروليت پليمري با آزمون‌هاي الكتروشيمايي همچون پايداري الكتروشيميايي جهت اطمينان از عدم تجزيه الكتروليت، هدايت يوني جهت ارزيابي ميزان مقاومت الكتروليت جامد، عدد انتقال جهت ارزيابي ميزان يون ليتيوم منتقل شده و تعيين ظرفيت باتري جهت ارزيابي ظرفيت باتري حالت جامد مورد ارزيابي قرار گرفت. آزمون هدايت يوني به عنوان آزمون شاخص براي انتخاب تركيب درصد مورد استفاده در ديگر آزمون‌ها انتخاب شد. با تغيير تركيب درصد PVAc از 0 تا 20 درصد و TiO2 از 0 تا 10 درصد در مجموع 12 نمونه با تركيب درصدهاي متفاوت، بدست آمد. نتايج آزمون گرماسنجي ديفرانسيلي نشان داد كه بلورينگي الكتروليت آميخته پليمري به همراه نانوذره تيتانيا حدوداً نصف بلورينگي الكتروليت PCL است. نتايج آزمون طيف سنجي مادون قرمز حاكي از برهم‌كنش خوب بين پليمر و نمك ليتيوم ميباشد. آزمون كشش پليمر براي الكتروليت‌هاي PCL، PVAc/PCL و TiO2/PVAc/PCL استحكام كششي به ترتيب MPa 66/5 و MPa92/8 و MPa39/6 را نشان داد. نتايج آزمون ميكروسكوپ الكتروني روبشي نشر ميداني پراكندگي ذرات نمك در نمونه داراي تيتانيا و چسبندگي ذرات نمك در نمونه بدون تيتانيا را نتيجه داد كه اين امر دليلي بر تاثير مثبت حضور تيانيا در تركيب است. در آزمون پايداري الكتروشيميايي هر سه نمونه الكتروليت تا ولتاژ 5 ولت پايداري الكتروشيميايي از خود نشان دادند. بهترين هدايت يوني الكتروليت جامد تشكيل شده از آميخته پليمري PVAc/ PCLبرابر با S cm−1 6-10×5/2 و به همراه نانوذره تيتانيا برابر باS cm−1 6-10×15/5 در دماي اتاق بدست آمد كه به ترتيب 2 و 5 برابر هدايت يوني الكتروليت پليمري PCL است. همچنين با افزايش دما هدايت يوني PVAc/ PCL برابر با S cm−1 5-10×78/1 و هدايت يوني TiO2/PVAc/PCL برابر با S cm−1 4-10×54/1 در دماي ℃ 60 بدست آمد. نتايج حاصل از آزمون عدد انتقال به خوبي با نتايج حاصل از آزمون هدايت يوني همخواني دارد. عدد انتقال الكتروليت‌هاي PCL، PVAc/ PCLو TiO2/PVAc/PCL به ترتيب برابر 32/0، 36/0 و 5/0 بدست آمد. همچنين در آزمون عملكرد باتري ظرفيت سه نمونه الكتروليت PCL، PVAc/ PCLو TiO2/PVAc/PCL به همراه كاتد NCA و آند ليتيوم به ترتيب ظرفيت‌هايي mAh g -1 23/83 ، mAh g -1 99/169 و mAh g -1 77/184 نتيجه داد.

1400/11/22

Fabrication and evaluation of polymer solid electrolyte from polycaprolactone / poly (vinyl acetate) alloy containing titanium dioxide nanoparticles in lithium ion battery

11/21/2022 12:00:00 AM

Regarding the flourishing lithium-ion battery usage as an energy storage system, improving the performance and properties of materials of this type of battery seems crucial. In this aspect, a solid electrolyte consisting of a polymer blend of poly caprolactone (PCL), poly (vinyl acetate) (PVAc) and LiTFSI salt with synthesized nanoparticle TiO2 was prepared, characterized and its performance as an electrolyte in lithium-ion battery was evaluated. The optimized blend and composite electrolyte composition had an ionic conductivity of 2.5×10-6 S cm-1 and 5.15×10-6 S cm-1 at room temperature and 1.8×10-5 S/cm and 1.5×10-4 S cm-1 at 60 ℃ , respectively. The results of DSC analysis showed that the addition of PVAc and TiO2 causes a reduction in crystallinity phase of PCL electrolyte. The polymer tensile test proved a significant increase in the mechanical stability of the PCL electrolyte after the addition of PVAc and TiO2. The FTIR analysis indicated that a strong interaction between the lithium ion and functional groups of polymers and TiO2. The FESEM results showed a better distribution of lithium salt in presence of TiO2 in the composition. The lithium transference number test showed a value of 0.32 for PCL electrolyte. By adding PVAc and TiO2, Li transference number reached to 0.36 and 0.5, respectively. Battery performance resulted reliable capacity of cells. However cyclability of cells need to be addressed

الكتروليت جامد پليمري، باتري يون-ليتيومي، باتري ليتيومي حالت جامد

Polymer electrolyte, Li-ion battery, Solid-state battery