شماره ركورد
34035
پديد آورنده
ارتا سخن پژو
عنوان
بررسي پارامترهاي آسياكاري و كلسيناسيون بر سنتز و عملكرد الكتروشيميايي ماده كاتدي NCM تهيه شده از مواد موجود در باتري هاي ليتيوم-يون مستعمل
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
مهندسي مواد و متالورژي- شناسايي، انتخاب و روش ساخت مواد مهندسي
سال تحصيل
1401
تاريخ دفاع
1404/6/23
استاد راهنما
سيد مرتضي مسعودپناه
استاد مشاور
/
دانشكده
دانشكده مهندسي مواد و متالورژي
چكيده
باتريهاي ليتيوم-يون بهدليل چگالي انرژي بالا، طول عمر مناسب و بازده مطلوب، كاربرد گستردهاي در صنايع الكترونيك، خودروهاي برقي و سامانههاي ذخيرهسازي انرژي دارند. با افزايش مصرف اين باتريها، بازيافت مواد كاتدي اهميت ويژهاي پيدا كرده است. در اين پژوهش، كاتدهاي مستعمل Ni₀.₅Co₀.₂Mn₀.₃O₂ (NCM523) بهروش مكانوشيميايي شامل آسياكاري پرانرژي (HEBM) و كلسيناسيون دمابالا بازتوليد شدند. همچنين، اثر نوع پيشماده، زمان آسياكاري و دماي كلسيناسيون بر ساختار و عملكرد الكتروشيميايي مورد بررسي قرار گرفت. نتايج بررسي نوع پيشماده نشان داد تركيب NCM Oxide/Li₂CO₃ بهدليل تشكيل ساختار لايهاي منظم با نسبت c/a برابر 4.97، كمترين ميزان اختلاط كاتيوني (R≈1.15) و بلورينگي بالا، بهترين عملكرد را ارائه ميدهد. در مقابل، پيشمادههاي اگزالاتي بهعلت تجزيه چندمرحلهاي و اتلاف ليتيوم، ساختاري نامنظم و متخلخل ايجاد كردند. فرآيند آسياكاري پرانرژي در زمانهاي بيش از 20 ساعت بهدليل پديده كلوخهشدگي، ميانگين اندازه ذرات (D₅₀) تا حدود 610 نانومتر افزايش يافت. نمونه مربوط به زمان 20 ساعت، بهدليل بيشترين نظم شبكهاي و بيشترين شدت پيكهاي (003) و (104)، بهعنوان نمونهي بهينه انتخاب گرديد. كلسيناسيون پس از فرآيند HEBM باعث بهبود بلورينگي و كاهش اختلاط كاتيوني شد. نمونهي كلسينهشده در دماي 750 درجه سانتيگراد، با اندازه ذرات حدود 243 نانومتر، سطح ويژه 1.8 مترمربع بر گرم و نسبت c/aمعادل 4.97، بهترين تعادل بين نظم شبكهاي و پايداري ساختاري را نشان داد. افزايش دماي كلسيناسيون تا 800 درجه سانتيگراد موجب تبخير جزئي ليتيوم و افت ظرفيت ويژه شد، و در 850 درجه سانتيگراد بهدليل رشد دانهها تا حدود 90 نانومتر و كاهش تخلخل، عملكرد الكتروشيميايي كاهش يافت. در آزمونهاي الكتروشيميايي، نمونهي بهينه با نام 750 °C،) ظرفيت ويژه اوليه mAh/g 155 در نرخ C 0.1 و بازده كولمبيك 98.7 درصد را نشان داد. پس از 100 چرخه، 91.2 درصد از ظرفيت اوليه حفظ شد. نتايج آزمونهاي نرخپذيري و ولتامتر چرخهاي (CV) نيز بيانگر برگشتپذيري بهتر و پلاريزاسيون كمتر نسبت به ساير نمونهها بود. تحليل EIS نشان داد مقاومت انتقال بار (Rct) 24 اهم و ضريب نفوذ يون ليتيوم معادل cm²/s 12-10 × 9.15 است. همچنين، نتايج XPS نسبت بالاتر Ni³⁺/Ni²⁺≈1.7 را در نمونهي 750 درجه سانتيگراد تأييد كرد كه بيانگر پايداري شيميايي است.
تاريخ ورود اطلاعات
1404/08/28
عنوان به انگليسي
Investigation of effect of Ball-Milling and Calcination parameters on the synthesis and electrochemical performace of NCM cathode material prepared from spent Li-ion batteries
تاريخ بهره برداري
9/14/2025 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
ارتا سخن پژو
چكيده به لاتين
Lithium-ion batteries, due to their high energy density, suitable lifespan, and excellent performance, are widely used in electronics, electric vehicles, and energy storage systems. With increasing demand, sustainable recycling of their valuable materials has become crucial. In this study, spent NCM523 cathodes were regenerated using high-energy ball milling (HEBM) and high-temperature calcination, with the effects of precursor type, milling time, and calcination temperature on structure and electrochemical performance systematically investigated. Regarding precursor effects, NCM Oxide/Li Carbonate formed a well-ordered layered structure with minimal cation mixing and high crystallinity, outperforming other synthesis routes. These properties are critical for enhancing NCM cathode electrochemical performance. Conversely, oxalate-based precursors, due to multi-stage decomposition, gas release, and potential lithium loss, produced irregular, porous structures with high cation mixing, rendering them unsuitable for electrochemical applications. The HEBM process, by repeatedly crushing particles and increasing surface energy, reduced particle size and improved structural properties. However, milling beyond 20 hours caused agglomeration, increasing the average particle size (D50) and reducing size distribution uniformity. XRD results showed that the 20-hour milled sample, with the highest lattice order, lowest cation mixing, finer particle size, and minimal agglomeration, exhibited the best structural and microstructural properties, making it the optimal choice for further experiments. Calcination of NCM samples post-HEBM improved crystallinity, reduced cation mixing, and optimized the layered structure. The sample calcined at 750°C achieved the best balance of lattice order, particle size, specific surface area, and electrochemical stability. At 800°C, despite increased surface area, lithium evaporation reduced specific capacity. At 850°C, excessive grain growth and reduced porosity further degraded performance. Electrochemical tests (rate capability, cycling) and XPS analysis confirmed the superiority of the 750°C sample, with higher specific capacity, lower polarization, better reversibility, and an optimal surface chemical structure.
كليدواژه هاي فارسي
بازيافت مستقيم ماده كاتدي , NCM 523 , آسياب گلولهاي با انرژي بالا , كلسيناسيون
كليدواژه هاي لاتين
Direct recycling of cathode material , NCM 523 , igh-energy ball milling , calcination
Author
Arta Sokhan Pajooh
SuperVisor
Dr. Masoudpanah