شماره ركورد
34400
پديد آورنده
عليرضا عباسي رهقي
عنوان
بازتوليد ماده كاتدي LiFePO4 از باتري¬هاي ليتيم-يون مستعمل با استفاده از روش كربوترمال
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
مهندسي مواد و متالورژي
سال تحصيل
1401
تاريخ دفاع
1404/07/29
استاد راهنما
دكتر سيد مرتضي مسعودپناه
استاد مشاور
-
دانشكده
مهندسي مواد و متالورژي
چكيده
به دليل توسعه تكنولوژي خودروهاي الكتريكي و مشكلات سوخت فسيلي، اين روزه باتري¬ها توانسته¬اند سهم خوبي از بخش انرژي را براي خود كنند. ازدياد اين باتري¬ها در آينده مي¬تواند خود به مشكلي جدي در حوزه مواد و محيط زيست تبديل شود. روش¬هاي پيرو و هيدرومتالورژي كه براي بازيافت باقي باتري¬ها استفاده مي¬شوند از نظر هزينه و انرژي براي LFP مقرون صرفه نيست. راه حل جايگزين استفاده از ساده¬ترين روش¬ها براي جداسازي ماده كاتدي از باقي مواد موجود در باتري است تا در مرحله بعدي مورد بازتوليد مستقيم قرار بگيرد. براي اينكه مقايسهاي بين روشهاي حل¬سازي آلومينيوم در سديم هيدروكسيد، حذف چسب با استفاده از NMP و حرارت انجام داده و بهترين روش انتخاب شود آزمونهاي مختلفي بر روي ريزساختار(ميكروسكوپ الكتروني روبشي)، ساختار و مشخصه¬يابي (پراش پرتو ايكس، طبف¬سنجي رامان، پلاسما جفت شده القايي) و عملكرد الكتروشيميايي (شارژ/دشارژ، ولتامتري چرخه¬اي و امپدانس الكتروشيميايي) بر روي مواد انجام شد. ماده كاتدي جداشده از زير لايه آلومينيومي از روش حرارتي توانست بهترين مطابقتها را در آزمونهاي مشخصهيابي داشته باشد و در آزمون الكتروشيميايي هم، ظرفيت و پايداري عالي ( mAh/g143 و %80 ظرفيت باقي¬مانده پس از 2000 سيكل) را از خود به جاي گذاشت. در مرحله بعدي ابتدا ماده كاتدي پيش عمليات شده در اسيد سولفوريك حل شد و سپس نمك¬هاي فلزات ليتيم (كربنات و فسفات) و آهن (فسفات) موجود در اين تركيب رسوب داده شد. ليتيم فسفات و ليتيم كربنات در دو روند جداگانه و با سه نسبت مولي مختلف (1، 1/05/1 و 1/1) در مقابل نسبت مولي 1 آهن با يكديگر تركيب شده و درون بال ميل به مدت 5 ساعت قرار گرفتند تا به خوبي مخلوط شوند. در مرحله بعد كه سنتز كربوترمال است با 30 درصد وزني ساكارز مخلوط شده و به مدت 6 ساعت تحت دماي 750 درجه سانتي¬گراد در اتمسفر آرگون/هيدروژن قرار مي¬گيرد. پودرهاي حاصل ابتدا تحت تست¬هاي مشخصه¬يابي و سپس آزمون¬هاي الكتروشيميايي قرار گرفتند. بهترين ظرفيت الكتروشيميايي هر دو پيش¬ساز متفاوت ليتيمي، نسبت 1:1/1 از منبع ليتيمي نسبت به منبع آهن بود و اين در حاليست كه بيشترين مطابقت با الگوي پراش پرتو ايكس مرجع LFP هم مربوط به همين دو نمونه بوده است. ظرفيت نمونه پيش¬ساز فسفاتي و نمونه پيش¬ساز كربناتي در C1/0 به ترتيب برابر با 95 و 135 ميلي آمپر ساعت بر گرم و پايداري 75% و 55% پس از 2000 چرخه در نرخ جريان C20 بود. تمامي نمونه¬هاي سنتز شده داراي ساختار كروي شكلي بودند كه در ابتدا در مواد پيش عمليات شده هم مشاهده كردبم و تغييري در ريزساختار اتفاق نيفتاده بود. در بررسي نظم پوشش كربني هم دو نمونه سنتزي منتخب توانستند نتايج تقريبا يكسان و گرافيته شدن خوبي را از خود به نمايش بگذارند.
تاريخ ورود اطلاعات
1404/10/30
عنوان به انگليسي
Regeneration of LiFePO4 cathode material from used lithium-ion batteries using the carbothermal method
تاريخ بهره برداري
10/21/2025 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
عليرضا عباسي رهقي
چكيده به لاتين
Lithium iron phosphate (LiFePO₄) batteries have gained a special position among other cathode materials due to their relatively reasonable cost (thanks to the absence of cobalt and nickel), good theoretical capacity, suitable operating voltage window (2–4 V), and higher safety compared to other cathode materials (owing to their thermal stability). With the development of electric vehicle technology and the challenges related to fossil fuels, batteries have recently secured a significant share in the energy sector. However, the growing number of these batteries in the future could itself become a serious issue in terms of materials and environmental impact. Conventional pyrometallurgical and hydrometallurgical recycling methods used for other batteries are not cost-effective or energy-efficient for these types of batteries. An alternative solution is to use the simplest possible methods to separate the cathode material from the other battery components so that it can later be directly regenerated. To compare different separation methods and select the best one, various tests were performed, including X-ray diffraction (XRD), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS), Raman spectroscopy, and electrochemical charge–discharge testing. The material obtained from the selected method showed the best match in the characterization analyses and demonstrated excellent capacity and stability in electrochemical testing (114.3 mAh g⁻¹ and 80% capacity retention after 2000 cycles). In the next stage, a process was developed to regenerate the cathode material from spent cathodes so that the newly synthesized cathode material could once again function effectively. After dissolving the lithium and iron salts in sulfuric acid, the components were mixed in various ratios and placed in a ball mill for 5 hours to ensure thorough mixing. In the following step — carbothermal synthesis — the mixture was combined with 30 wt% sucrose and heated at 750 °C for 6 hours. The resulting powders were first subjected to characterization tests and then to electrochemical testing. The best electrochemical capacity among all the compositions corresponded to a 1 : 1.1 ratio of the lithium source to the iron source. The phosphate and carbonate samples showed discharge capacities of 95 mAh g⁻¹ and 135 mAh g⁻¹ at 0.1 C, and capacity retentions of 75% and 55% after 2000 cycles at a 20 C rate, respectively. The microstructure of the initial material exhibited a disordered, spherical-like morphology, which was also clearly observed in all synthesized samples. The carbon network structure of the two samples with the best capacities was also analyzed, showing favorable results for the degree of graphitization.
كليدواژه هاي فارسي
LFP , پيش عمليات , بازتوليد مستقيم , كربوترمال , بال ميل , الكتروشيميايي
كليدواژه هاي لاتين
LFP , ball mill , pretreatment , direct regeneration , carbothermal , electrochemical
Author
Alireza abbasi rahaghi
SuperVisor
Seyed morteza masoudpanah