25487

بررسي خواص ريزساختاري و الكتروشيميايي ماده كاتدي LiVPO4F سنتز شده به روش احتراق محلولي به منظور كاربرد در باتري‌هاي ليتيوم-يون

كارشناسي ارشد

مهندسي مواد

1396

1399/09/03

دكتر سيد مرتضي مسعودپناه-دكتر مسعود هاشمي نياسري

مهتدسي مواد

امروزه باتري‌ها يكي از پيشرفت‌هاي جوامع براي ذخيره‌ي انرژي مورد استفاده مي‌باشند. از اين ميان، باتري‌هاي ليتيوم-يوني خواص منحصربه‌فرد و قابل‌توجهي دارند. خواص الكتروشيميايي باتري‌هاي ليتيوم-يوني عمدتاً وابسته به ماده كاتدي مي‌باشند كه در ميان انواع مواد كاتدي، ساختارهاي چند آنيوني از ساختارهاي جذاب و جديد مي‌باشند. LiVPO4F در اين دسته‌بندي جاي مي‌گيرد كه داراي ساختار تاووريت مي‌باشد. اين كاتد ولتاژ بالا (Li/Li+ vs. 1/4 ولت)، عمر با چرخه طولاني، پايداري حرارتي عالي و ساختار بلوري پايداري را توليد مي‌‌كند. اين ماده ظرفيت نظري 156 ميلي‌آمپر ساعت بر گرم را توليد مي‌كند و همچنين يكي از بالاترين زوج‌هاي اكسايش-كاهش (V4+/V3+) را در ميان تركيبات پلي‌آنيوني شناخته شده را نشان مي‌دهد. در اين پژوهش، ماده LiVPO4F به روش احتراق محلولي و به كمك سوخت CTAB و سپس كلسينه در دماي 800 درجه سانتي‌گراد سنتز شد. براي بهبود عملكرد الكتروشيميايي و افزايش رسانايي الكتروني اين كاتد، منابع مختلف كربني شامل 20 درصد وزني كربن سوپر پي،20 درصد وزني ساكاروز، 10 درصد وزني نانولوله‌هاي كربني چند‌ديواره و 5 درصد وزني اكسيد گرافن كاهش‌يافته با اين تركيب، كامپوزيت شدند. براي بررسي‌هاي ساختاري و شيميايي، آزمون‌هاي آناليز گرمايي، پراش پرتو ايكس، طيف‌سنجي فوتوالكترون اشعه ايكس، طيف سنجي رامان، آزمون سطح ويژه، تصويربرداري ميكروسكوپ الكتروني روبشي و عبوري انجام گرفت. پس از ساخت باتري‌هاي حاصل از پودرهاي سنتز شده، آزمون‌هاي الكتروشيميايي شارژ-دشارژ اوليه، ولتامتري چرخه‌اي و امپدانس براي هر پنج نمونه انجام شد. نتايج نشان داد كه كاتد اوليه LVPF/C ظرفيت دشارژ اوليه 79 ميلي‌آمپر ساعت بر گرم با نرخ 1C و بازده چرخه‌ي 2/80 درصد پس از 50 چرخه را دارا مي‌باشد. بهترين كاتد كامپوزيتي LVPF/rGO بود كه ظرفيت دشارژ اوليه آن، 121 ميلي‌آمپر ساعت بر گرم با نرخ 1C و بازده چرخه‌ي 52/97 درصد پس از 70 چرخه بدست آمد. به همين منظور، آزمون نرخ توانايي براي كاتد LVPF/rGOدر نرخ جريان‌هاي متفاوت طي 50 چرخه انجام گرفت و عملكرد بازگشتي مناسبي را از خود نشان داد. همچنين با بررسي امپدانس الكتروشيميايي، كاهش مقاومت 74/67 درصدي از كاتد اوليه LVPF/C تا كاتد LVPF/rGO مشاهده شد.

1400/08/18

Investigation of Microstructural and Electrochemical Properties of LiVPO4F Cathode Synthesized by Solution-Combustion Method for Li-ion Batteries

11/24/2021 12:00:00 AM

Nowadays, batteries are one of the advancements of societies for energy storage. Among them, lithium-ion batteries have unique and remarkable properties. The electrochemical properties of lithium-ion batteries mostly depend on the cathodic materials, among which novel, multi-anion structures are attractive. LiVPO4F falls into this category, which has a Tavorite structure. This high voltage cathode (4.1 V vs. Li/Li+) holds long cycle life, excellent thermal stability, and stable crystal structure. This cathode produces theoretical capacity of 156 mAh/g, and also it has a high redox couple (V4+/V3+) among polyanionic compounds. In this study, LiVPO4F was synthesized by the solution combustion method using CTAB, as a fuel, and then calcinated at 800 °C. To improve electrochemical performance, various carbon sources, including carbon super p (20 %wt), sucrose (20 %wt), multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) (10 %wt), and reduced graphene oxide (rGO) (5 %wt) were composited with this compound. For structural and chemical studies, thermogravimetric analysis, X-ray diffraction, X-ray photoelectron spectroscopy, Raman spectroscopy, BET, along with scanning and transmission electron microscopy were performed. After battery fabrications from the synthesized powders, electrochemical tests of initial charge-discharge, cyclic voltammetry, and impedance were recorded for all five samples. The results showed that the primary LVPF/C cathode has an initial discharge capacity of 79 mAh/g at the 1C rate, besides cycling stability of 80.2% after 50 cycles. The composite with the highest cathodic performance was LVPF/rGO with an initial discharge capacity of 121 mAh/g at 1C and excellent cycling stability of 97.52% after 70 cycles. To do so, rate capability analysis for LVPF/rGO with different C rates in 50 cycles was conducted. Also, by examining the electrochemical impedance, a reduction of 67.74% resistance was observed from the primary cathode LVPF/C to the LVPF/rGO cathode.

واژه‌هاي كليدي: باتري ليتيوم-يون، كاتد، سنتز احتراق محلولي، تركيب LiVPO4F، خواص الكتروشيميايي

Keywords: Li-ion battery; Cathod; Solution Combustion Synthesize; LiVPO4F; Electrochemical Properties