31379

سنتز نانوكامپوزيت كربن-سيليكون با استفاده از فوم پايه پلي‌استايرني براي كاربرد آند باتري ليتيومي

كارشناسي ارشد

مهندسي مواد و متالورژي - گرايش سراميك

1400

1403/6/26

دكتر مهدي ملكي - دكتر هاجر قنبري

دكتر ابوالحسن ايماني

مهندسي مواد و متالورژي

سيليسيم و مواد مبتني بر آن، به دليل ظرفيت نظري بالا، پتانسيل تخليه‌ پايين و فراواني در پوسته كره زمين، جايگزيني مناسب براي آندهاي تجاري گرافيتي در باتري‌هاي ليتيمي (lithium-ion batteries, (LIB)) به‌شمار مي‌آيند. با وجود اين ويژگي‌ها، هدايت الكتريكي پايين، انبساط حجمي بالا، تخريب مكانيكي در هنگام فرايند شارژ/دشارژ و ناپايداري لايه جامد بين‌فازي تشكيل شده با الكتروليت در مواد پايه سيليسيمي، كاربرد آن را به عنوان آند در LIBs محدود كرده‌است. يكي از راه‌كارهاي مناسب براي برطرف‌كردن چالش‌هاي بيان شده، محبوس‌كردن ذرات سيليسيم (زير nm 150) در زمينه رساناي كربني است. در اين پژوهش، كامپوزيت‌هاي كربني حاوي مواد سيليسيمي به روش‌هاي گرماكافت مستقيم و احياي منيزيوترميت درجا ساخته شدند. در روش گرماكافت مستقيم، كامپوزيت‌هاي كربن/سيليسيم‌اكسيد (5/4 و نه درصد وزني سيليسيم‌اكسيد) از گرماكافت كامپوزيت‌هاي پلي‌استايرن/سيليسيم با مقادير مختلف Si و كامپوزيت كربن/اكسي‌كربوسيليكون از گرماكافت كامپوزيت پلي‌استايرن/اكسي‌كربوسيليكون در دماي °C700 به مدت 90 دقيقه در اتمسفر نيتروژن ساخته شد. به منظور سنتز كامپوزيت كربن/سيليسيم به روش احياي منيزيوترميت درجا، فوم پلي‌استايرن/سيليكا حاوي 30 درصد سيليكا با نسبت وزني مشخص با پودر منيزيم تركيب شد و سپس، در دماهاي 650، 700 و °C750 به مدت زمان‌هاي 15 دقيقه و دو و چهار ساعت عمليات حرارتي شد. افزون‌بر عوامل بيان شده، اثر سورفكتانت نيز بر سنتز كامپوزيت كربن/سيليسيم به اين روش، بررسي شد. به منظور بررسي فازي، پيوندي، ريزساختاري و تخلخل نمونه‌ها، به ترتيب آناليزهاي پراش پرتو ايكس (X-ray diffraction, (XRD))، طيف‌‌سنجي رامان، ميكروسكوپ الكتروني روبشي (scanning electron microscope, (SEM))، آزمون جذب/واجذب گاز نيتروژن و آزمون الكتروشيميايي صورت گرفت. با توجه به نتايج به‌دست آمده، در كامپوزيت‌‌ كربن/سيليسيم‌اكسيد سنتز شده به روش گرماكافت مستقيم، فاز بلوري SiO2 توانست در زمينه كربني بي‌نظم تشكيل شود و به ترتيب در نمونه‌هاي 5/4 و نه درصد SiO2، ظرفيت‌هاي ويژه mAh g-1 240 را پس از 100 چرخه در C1/0 و mAh g-1 265 را پس از ده چرخه در C2/0 از خود ارائه دهند. افزون‌براين، كامپوزيت كربن/اكسي‌كربوسيليكون، با فازهاي بلوري Si، SiC و SiO2 تتراگونال، ظرفيتي برابر mAh g-1 288 را در C2/0 از خود ارائه كرد. علاوه‌براين، در كامپوزيت‌هاي كربن/سيليسيم كه به روش احياي منيزيوترميت درجا سنتز شدند، با وجود بررسي عوامل مختلف بر سنتز، فاز سيليسيم بلوري در حد دقت دستگاه XRD مشاهده نشد.

1403/08/01

Synthesis of carbon-silicon nanocomposite using polystyrene-based foam for lithium-ion battery anode application

9/16/2025 12:00:00 AM

Dou to the high theoretical capacity, low discharge potential, and abundance in the earth's crust of silicon and silicon-based materials, they are considered as suitable substitutes for commercial graphite anodes in lithium-ion batteries (LIBs). Despite these advantages, low electrical conductivity, high volumetric expansion, mechanical degradation during the charge/discharge process and instability of solid electrolyte interphase (SEI) layers in silicon-based materials have limited its application as an anode in LIBs. Confining silicon-based nanoparticles in a conductive matrix with a high specific surface area, such as various carbon-based materials, is one of the appropriate solutions to prevent volume expansion and improve the conductivity of these materials. In this study, carbon composites containing silicon-based materials were made by two methods, direct pyrolysis and in-situ magnesiothermite reduction. In the direct pyrolysis, carbon/silicon oxide composites with 4.5 and 9% SiO2 and carbon/oxycarbo silicon were synthsis via pyrolysis of polystyrene/silicon and polystyrene/ oxycarbo silicon composites at 700 °C for 90 minutes in the nitrogen atmosphere. Furthermore, in order to synthesize carbon/silicon composite by in-situ magnesiothermite reduction, polystyrene/silica foams containing 30% were combined with Mg powder with different ratios and then, were heated at temperatures of 650, 700,and 750°C for 15 minutes, 2 and 4 h. , X-ray diffraction (XRD), Raman spectroscopy, Scanning electron microscope (SEM), nitrogen gas absorption/desorption test and Electrochemical test were performed for investigation of phase, bonding, microstructure and surface of the samples, respectively. According to the obtained results, in the carbon/silicon oxide composite synthesized by direct endothermic method, the crystalline phase of tetragonal SiO2 could be formed in the amorphous carbon matrix. The carbon/silicon oxide composites with the 4.5 and 9% SiO2, displayed the specific capacities of 240 mAh g-1 after 100 cycles at 0.1C and 265 mAh g-1 after 10 cycles at 0.2C, respectively. Moreover, the carbon/oxycarbo silicon composite, with Si, SiC and tetragonal SiO2 crystalline phases, presented a capacity of 288 mAh g-1 at 0.2 C. In addition, in the carbon/silicon composites which synthesized by the in-situ magnesiothermite reduction, despite the investigation of various factors on the synthesis of carbon/silicon via this method, silicon formation was not observed.

باتري ليتيمي , كربن , سيليسيم , سيليسيم‌اكسيد , آند , گرماكافت مستقيم , احياي منزيوترميت درجا

Lithium-ion battery (LIB) , carbon , Silicon , Silicon oxide , Direct pyrolysis , In-situ magnesiothemite reduction , anode

Mohammad Ali Hedayati

Dr.Mahdi Maleki, Dr.Hajar Ghanbari