28725

بررسي تاثير شرايط آسياكاري و حل سازي فروسيليسيم در پايداري چرخه اي سيليكون به عنوان ماده آندي باتري هاي ليتيوم يون و كاربرد آن در ابرخازن

كارشناسي ارشد

مهندسي مواد و متالورژي- شناسايي و انتخاب مواد

1399

1402/6/18

سيد مرتضي مسعودپناه - ماندانا عادلي

مهندسي مواد و متالورژي

بهينه سازي تجهيزات ذخيره انرژي، با استفاده از سيليكون به عنوان ماده آندي در باتري هاي ليتيوم يون، مورد توجه محققان قرار گرفته است. با اين حال، آندهاي مبتني بر سيليكون داراي مشكلاتي هستند كه با استفاده از معماري‌ ساختار¬هاي مختلف سعي براي حل آن‌ها صورت گرفته است. در اين پروژه، از فروسيليسيوم صنعتي به عنوان منبع Si ارزان قيمت استفاده شده، و روشي آسان و اقتصادي براي ساخت آند كامپوزيتي متخلخل Si@C با استفاده از آسياكاري و عمليات حرارتي معرفي شده است. در اين¬ پژوهش، با محصور كردن نانوذرات سيليكوني متخلخل با لايه‌هاي متعدد كربني سنتز شده از پلي¬اكريلونيتريل (PAN)، ساختاري مناسب براي رسانايي بهتر ايجاد شد و همچنين تغييرات حجمي سيليكون را كاهش مي‌دهد. جهت ارزيابي نمونه¬هاي سنتز شده از آزمون هاي پراش پرتو ايكس، طيف‌سنجي رامان، تصويربرداري با ميكروسكوپ الكتروني روبشي و عبوري استفاده شد. عملكرد آندي نمونه¬ها نيز با بررسي چرخه¬پذيري، نرخ¬پذيري، طيف امپدانس الكتروشيميايي و ولتامتري چرخه¬اي مورد مطالعه قرار گرفت. در اين پژوهش پودر اوليه فروسيليسيم توسط آسياكاري به ذرات ميكرو و نانومتري خرد شده و فرآيند حل¬سازي صورت گرفت تا ناخالصي¬هاي آلومينيوم و آهن از بين برود و درصد سيليكون بالا رود و ساختاري متخلخل از سيليكون حاصل شود. سپس با مخلوط كردن پلي¬اكريلونيتريل و ذرات متخلخل سيليكون توسط فرآيند آسياكاري، هم ذرات خرد شده و هم لايه¬اي از رشته¬هاي پليمري پلي¬اكريلونيتريل بر سطح ذرات نشانده شود. با كلسينه كردن ذرات در دماي 700 درجه سانتي¬گراد به مدت 3 ساعت تحت اتمسفر آرگون، پلي¬اكريلونيتريل به كربن تبديل شده در نتيجه ذرات متخلخل سيليكون با لايه¬هايي از كربن پوشانده مي¬شوند تا پايداري و همينطور محافظت از ساختار آند پايه سيليكوني پس از طي چرخه¬هاي متعدد حاصل گردد. بنابراين، آند متخلخل Si@C در ابعاد نانو به چرخه ثابت با ظرفيت mAh g-1 1/887 در چگالي جريان A g-1 1 در 200 چرخه، و همينطور، نرخ¬پذيري بسيار مطلوب با ظرفيت mAh g-12/657 در چگالي جريان A g-1 1 دست يافت. همچنين عملكرد الكتروشيميايي اين نمونه به عنوان الكترود در ابرخازن، با نرخ پذيري بالا و ظرفيت ويژه 1494 فاراد بر گرم در چگالي جريان A g-1 1، مشاهده شد. بررسي عملكرد ابرخازن هيبريدي با الكترود نمونه آند متخلخل Si@C و كربن فعال، چگالي انرژي Wh/kg 2/37 و چگالي توان W/kg 694 گزارش داده شد.

1402/07/03

Investigating the effect of ferrosilicon grinding and leaching conditions on the cyclic stability of silicon as the anode material for lithium-ion batteries and its application in supercapacitors

9/8/2024 12:00:00 AM

Silicon is regarded as the most important anode material for lithium-ion batteries (LIBs) due to its low working potential (<0.5 V) and high theoretical specific capacity (3579 mAh g-1). However, Si-based anodes experience internal mechanical strain, pulverization of silicon particles during charging and discharging, and poor electrical conductivity (6.7 × 10-4 S cm-1). The effectiveness of various nanostructured architectures in resolving the problems with high-capacity Si anodes has been established. Numerous efforts have been made to lessen the mechanical stress on Si in order to minimize the degradation of Si anodes. Herein, industrial ferrosilicon was used as low-cost Si source and introduce a facile and scalable method to fabricate a porous Si@C composite structure anode using two-step leaching-ball milling and subsequent heat treatment, through which porous Si nanoparticles are wrapped with multi-layered of carbon sheets derived from polyacrylonitrile (PAN). By encapsulating porous silicon nanoparticles with multiple layers of carbon sheets, creating a dependable framework for conductivity was made possible, ensuring fast transport of electrons, that also mitigated the changes in volume of silicon. This technique was both scalable and straightforward, utilizing cost-effective industrial ferrosilicon as a source of silicon. The nano-sized porous Si/C anode therefore achieves a steady cycling with 887.1 mAh g-1 over 200 cycles at 1 A g-1 and a good rate capability of 657.2 mAh g-1 at 5 A g-1. Our method using ferrosilicon offers a novel approach for creating cost-effective and efficient anodes based on silicon on a large scale that are affordable, environmentally friendly, and suitable for high-energy lithium-ion batteries. Also, the electrochemical performance of this sample as an electrode in supercapacitor, with a suitable rate capability and a specific capacity of 1494 F g-1 at a current density of 1 A g-1, was observed. Investigating the performance of the hybrid supercapacitor with Si@C electrode and activated carbon, the energy density of 37.2 Wh/kg and the power density of 694 W/kg were reported.

فروسيليسيم , آسياكاري , حل سازي , باتري هاي ليتيوم يون , ابرخازن

Ferrosilicon , Ball-milling , Leaching , lithium-ion batteries , supercapacitor

Mohammad Hossein

Dr. Morteza Masood Panah