بخشی از مقاله
چکیده:
ترسیب الکتروشیمیایی به عنوان یک روش برتر برای سنتز نانو ساختارهای دندریتی آلیاژ سه بعدی بر پایه قلع توسعه داده شده است. آند سه بعدی Sn-Cu با مقادیر قلع بالا توسط ترسیب الکتروشیمیایی برروی بستر مس به عنوان جمع کننده جریان تهیه شده است و به عنوان آند باتری های لیتیم یون مورد بررسی قرار گرفته است. آلیاژ نانو دندریتی Sn-Cu آماده شده توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - و آنالیز اشعه ایکس - EDX - شناسایی شده است. نانو ساختارهای دندریتی آلیاژ بر پایه قلع به عنوان الکترود مزیت های زیادی به دنبال دارد به عنوان مثال، ساختارهای متخلخل نانو دندریتها می توانند طول نفوذ یون را کوتاه کرده و باعث سرعت بخشیدن به نفود یون شوند و همچنین نانوذرات به هم پیوسته در نانودندریتها می توانند انتقال الکترون را تسهیل کنند و مساحت سطح زیاد می تواند سایت های واکنش زیادی را برای دستگاه الکتروشیمیایی فراهم کند. در این مطالعه، ورود و خروج یون لیتیم در آند Sn-Cu و خواص الکتروشیمیایی آند Sn-Cu توسط ولتامتری چرخهای مورد بررسی قرار گرفته است. پیک های کاتدی و آندی به ترتیب مربوط به واکنش های آلیاژسازی - lithiation - و آلیاژزدایی - delithiation - لیتیم با قلع - به عنوان ماده فعال - هستند.
واژه های کلیدی: نانو ساختارهای دندریتی ترسیب الکتروشیمیایی
مقدمه
باتری های لیتیم یون، جذابیت زیادی در وسایل ذخیره سازی انرژی قابل حمل دارند. افزایش وابستگی جهان به ذخایر نفت طبیعی، تلاش های بین المللی را به استفاده از باتری های قابل شارژ لیتیم یون تشدید کرده است. انواع مختلفی از مواد به عنوان آند باتری لیتیم یون به ویژه - 1 - فلزات؛ مثل Sn , Sb , Zn , Al، - 2 - شبه فلزات؛ مثل Si، - 3 - ترکیبات بین فلزی؛ مثل Sn-Ni و Sn-Cu، - 4 - اکسیدهای فلزی؛ مثل Li4Ti5O12 ، مورد بررسی قرار گرفته است. در بین این فلزات، قلع به دلیل ظرفیت بالای خود - 959.5 mAh g_1 - توجه گسترده را جذب کرده است که بسیار بالاتر از آند گرافیت - 372 mAh g_1 - است .[1]
لیتیم دار شدن عناصر فعال مانند قلع به طور کلی نتایج زیادی از جمله افزایش حجم میزبان را دارد که در این حالت کارایی سیکل ضعیف و کاهش ظرفیت وجود خواهد داشت. برای حل این مشکل می توان از آلیاژ عناصر فعال/غیر فعال مانند Sn-Ni ,Sn-Cu استفاده کرد چون تغییر حجم ذرات Sn–Ni و Sn-Cu نسبت به ذرات قلع خالص، کوچکتر و آرام تر صورت گیرد و اثرات تغییرات ساختاری کاهش می یابد .[2] شارژ و دشارژ باتری از طریق مهاجرت یون لیتیم بین کاتد و آند و تبادل الکترون ها از طریق واکنش های اکسید و احیا صورت می گیرد:به ترتیب جداکننده و سپس الکترود فلز لیتیم به عنوان الکترود کار وکمکی روی آن قرار داده والکترولیت را تزریق می کنیم. پس از بسته شدن کامل سل می توان رفتار سل را مطالعه کرد.
بخش تجربی
برای تهیه آلیاژ Sn-Cu ابتدا پتانسیل کاهش Cu2+ و Sn2+ در دمای اتاق توسط ولتامتری چرخهای در محلول 5/50 M SnCl2 و 5/50 M CuCl2 و 0/5 M HCl تعیین می شود - شکل. - 1 تست CV در یک سل الکتروشیمیایی با جمع کننده جریان مسی به عنوان الکترود کار و با یک صفحه Pt به عنوان الکترود کمکی، و پتانسیل بین -0/73 V تا -0/1V نسبت به الکترود مرجع کالومل - SCE - و با سرعت اسکن 50 mV/s انجام گرفته است. فوم آلیاژ Sn-Cu در محلولهای شامل یونهایCu2+ و Sn2+ ، محلول - I - شامل 0/71 M SnCl2 و 5/540 M CuCl2.2H2O و %71 حجمی HCl و محلول - II - شامل 5/500 M SnCl2 و 5/540 M CuCl2.2H2Oو %71حجمی HCl در دمای 25℃ به روش کرونوآمپرومتری - CHA - در یک سل الکتروشیمیایی با جمع کننده جریان مسی به عنوان الکترود کار و با یک صفحه Pt به عنوان الکترود کمکی در پتانسیل -005 mV vs SCE به مدت 600 ثانیه ترسیب شده است - شکل . - 2 در این راستا مطالعات آنالیز، ساختار کریستالی، ترکیب شیمیایی و مورفولوژی سطح فوم آلیاژ Sn-Cu به ترتیب با استفاده از روش های آنالیز تفرق اشعه - EDX - X و میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - انجام شده است. از تست CV برای مطالعه رفتار الکتروشیمیایی فوم آلیاژ Sn-Cu در سل تست باتری لیتیم یون استفاده شده است. به این منظور پس از ترسیب الکتروشیمیایی، الکترودها در کوره با دمای 80 درجه سانتی گراد به مدت 2 ساعت قرار می گیرد .
نتایج و بحث
با توجه به شکل1 در CV دو پیک کاتدی مشاهده می شود همانطور که انتظار می رفت یون 2+ در پتانسیل های مثبتر ازکاهش می یابد ، اولین پیک در پتانسیل-310mV vs SCE که به احیای 2+ → و دومین پیکحدود -630 mV که به احیای 2+ → مربوط می باشد. با مقایسه نمودارهای CHA آلیاژ Sn-Cu ترسیب شده در دو محلول - I - و - II - در دمای 10℃ مشخص می شود که با کاهش
غلظت - غلظت در هر دو محلول ثابتاست - شدت جریان نیز کاهش می یابد - شکل . - 2 ارتباط مستقیم بین غلظت ترکیب و شدت جریان را می توان از طریق معادله کاترل نیز تصدیق کرد.ترسیب الکتروشیمیایی فوم آلیاژ Sn-Cu با واکنش آزاد سازی هیدروژن همراه است. طبق تصاویر SEM ساختار متخلخل از به هم پیوستن حبابهای هیدروژن، که از بستر رسانا در اور پتانسیل کاتدی جدا شده اند شکل می گیرد.
واکنش آزاد سازی هیدروژن یک الگوی دینامیکی است یعنی حبابهای هیدروژن موقع خارج شدن به عنوان یک طرح در ترسیب فلزات عمل می کند و فلز در فضای درون شبکه ای از حبابهای هیدروژن ترسیب می شود که منجر به یک مورفولوژی دندریتی و متخلخل سه بعدی می شود.شکل - 3 - تصاویرSEM و شکل - 4 - طیف EDX و جدول درصد وزنی عناصر قلع و مس مربوط به آلیاژ Sn-Cu که در محلول - I - در دمای 25℃ ترسیب الکتروشیمیایی شده است را نشان می دهد. با توجه به تصاویر SEM دندریتی و متخلخل بودن آلیاژ Sn-Cu به وضوح قابل مشاهده است. این آلیاژ شاخه های هم محور با اندازه 1-3 و دانه های هم محور با اندازه 755-155 دارا می باشد.شکل - 5 - تصاویرSEM و شکل - 6 - طیف EDX و جدول درصد وزنی عناصر قلع و مس مربوط به آلیاژ Sn-Cu که در محلول - II - در دمای 25℃ ترسیب الکتروشیمیایی شده است را نشان می دهد. با توجه به تصاویر SEM دندریتی و متخلخل بودن آلیاژ Sn-Cu به وضوح قابل مشاهده است. این آلیاژ شاخه های هم محور با اندازه 0/5 - 1 و دانه های هم محور با اندازه 100- 200 دارا می باشد.
