28114

بررسي تأثير نانوذرات سيليكا بر عملكردِ جداكننده بر پايه¬ي پلي¬وينيل¬الكل در باتري ليتيم-يون

كارشناسي ارشد

مهندسي شيمي گرايش پليمر

1399

1401/12/23

دكتر محمد فصيحي دستجردي و دكتر حسن فرخ زاد

مهندسي شيمي، نفت و گاز

باتري¬هاي ليتيم-يون از مهم¬ترين و پرطرفدار¬ترين باتري¬هاي موجود در بازار هستند و به دليل قابليت شارژ مجدد، سرعت شارژ، چگالي انرژي بالا، خودتخليه¬ي كم، وزن¬ كم، و طول عمر نسبتاً طولاني، روز به روز بر محبوبيت آن¬ها افزوده مي¬شود. در اين نوع باتري، جداكننده به طور معمول يك غشاي پليمريِ متخلخل است كه به روش¬هاي مختلف ساخته مي¬شود و اجازه مي-دهد تا جريان يوني بين دو الكترود (آند و كاتد) برقرار شود، در حالي كه از تماس فيزيكي بين آن¬دو جلوگيري مي¬كند. جداكننده¬هاي تجاريِ موجود در بازار اكثراً از جنس پلي¬اولفين¬ها هستند( پلي¬پروپيلن و پلي¬اتيلن ) كه به دليل استحكام مكانيكي بالا و پايداري شيميايي مناسب¬شان، بسيار مورد استفاده قرار گرفته¬اند. اما اين نوع جداكننده¬ها داراي معايبي مانند تَرپذيري پايين نسبت به الكتروليت مايع موجود در باتري و جمع¬پذيري ابعاديِ زياد در دما¬هاي بالا مي¬باشند. اين دو ويژگي، از عوامل بسيار تأثيرگذار در عملكرد باتري مي¬باشند. لذا با معرفي پليمرِ غير پلي¬اولفيني، درتلاشِ حل اين دو مشكل هستيم. در اين پروژه با توجه به روش جدايش¬فازي با القاي ضدحلال به منظور ساخت جداكننده، ابتدا با بررسي چهار ضدحلال مختلف و انتخاب يكي از آن¬ها به عنوان گزينه¬¬ي مناسب، به ساخت جداكننده¬هاي كامپوزيتيِ حاوي نانوذرات سيليكا پرداختيم. با ساخت نمونه¬هاي متعدد( هم تغيير در درصدجرمي پلي-وينيل¬الكل و هم تغيير در درصدجرمي نانوذرات سيليكا) روند تأثير نانوذرات سيليكا بر جداكننده¬هاي حاصل بررسي گرديد. با توجه به تصاوير ميكروسكوپ الكتروني و همچنين محاسبه¬ي ميانگينِ قطرِ حفرات، حضور و افزايشِ درصدجرمي نانوذرات سيليكا، باعث كوچك¬تر شدن ميانگين قطر حفرات و كاهش تخلخل جداكننده¬هاي حاصل شد. اين ميزان كاهش در اندازه¬ي قطرِ حفرات، تخلخل و جذب الكتروليت، همچنان در باز¬ه¬ي استاندار آن پارامتر¬ها مي-باشد. لذا درحضور نانوذرات سيليكا، با مشاهده كاهشِ قطرِ حفرات( باعث كاهش احتمال اتصال كوتاه داخلي در باتري)، افزايش ميزان درصد ماندگي الكتروليت، بهبود تَرپذيري و درنتيجه بهبود رسانايي يوني( منحني¬هاي شارژ و تخليه¬ي باتري حاصل از اين جداكننده¬ي كامپوزيتي) مي¬توان از اين جداكننده¬ها استفاده¬ي بيشتري كرد. همچنين مشاهده شد كه تمامي نمونه¬هاي ساخته¬شده داراي ترپذيري و رسانايي يوني بيشتري نسبت به جداكننده¬ي تجاري مي¬باشند و برخي نمونه¬هاي كامپوزيتي، درصد ماندگي الكتروليت بيشتري نسبت به جداكننده¬ي تجاري نشان دادند. واژه‌هاي كليدي: باتري ليتيم-يون، جداكننده¬ي كامپوزيتي بر پايه¬ي پلي¬وينيل¬الكل، روش جابه-جايي فازي با القاي ضدحلال، نانوذرات سيليكا

1402/01/29

Study on the effect of the silica nanoparticles on the performance of the poly(vinyl alcohol) porous separators for lithium-ion battery

3/13/2024 12:00:00 AM

Lithium-ion batteries are one of the most important and popular batteries in the market, and due to their recharging capability, charging speed, high energy density, low self-discharge, light weight, and relatively long lifespan, Their popularity is increasing day by day. In this type of battery, the separator is usually a porous polymer membrane that is made in different ways and allows the ionic current to be established between the two electrodes (anode and cathode), while the physical contact between It prevents both. The commercial separators available in the market are mostly made of polyolefins (polypropylene and polyethylene), which are widely used due to their high mechanical strength and good chemical stability. But these types of separators have disadvantages such as low wettability compared to the liquid electrolyte in the battery and high dimensional shrinkage at high temperatures. These two features are very influential factors in battery performance. Therefore, by introducing non-polyolefinic polymer, we are trying to solve these two problems. In this project, according to the phase separation method with antisolvent induction in order to make the separator, we first examined four different antisolvents and selected one of them as the suitable option, and started making composite separators containing silica nanoparticles. By making several samples (both the change in the mass percentage of polyvinyl alcohol and the change in the mass percentage of silica nanoparticles), the influence of silica nanoparticles on the resulting separators was investigated. According to the electron microscope images as well as the calculation of the average diameter of the holes, the presence and increase in the mass percentage of silica nanoparticles caused the average diameter of the holes to decrease and the porosity of the resulting separators to decrease. This amount of reduction in the diameter of holes, porosity and electrolyte absorption is still within the standard range of those parameters. Therefore, in the presence of silica nanoparticles, by observing the decrease in the diameter of the holes (reducing the possibility of internal short circuit in the battery), increasing the percentage of remaining electrolyte, improving wettability and, as a result, improving the ionic conductivity (charge and discharge curves of the battery resulting from this separator) composite) these separators can be used more. It was also observed that all the manufactured samples have higher ionic conductivity and conductivity than the commercial separator, and some composite samples showed a higher electrolyte retention percentage than the commercial separator. Key words: lithium-ion battery, composite separator based on polyvinyl alcohol, phase transfer method with antisolvent induction, silica nanoparticles

باتري ليتيم-يون , جداكننده¬ي كامپوزيتي بر پايه¬ي پلي¬وينيل¬الكل , روش جابه¬جايي فازي با القاي ضدحلال , نانوذرات سيليكا

lithium-ion battery , composite separator based on polyvinyl alcohol , phase transfer method with antisolvent induction , Silica nanoparticles

ali shahbazi

mohammad fasihi and hasan farrokhzad