بخشی از مقاله
چکیده: توسعه تکنولوژی و افزایش تقاضا برای ابزار قابل حمل منجر به تحقیقات گسترده ای بر روی مواد کاتدی شده است، که نقش مهمی در تعیین عملکرد الکتروشیمیایی باتری دارند . در بین مواد کاتدی نوعLiMn2O4 اسپینل، LixNiyMn2-yO4 به دلیل ظرفیت و ولتاژ عملکرد بالا، به عنوان یکی از بهترین مواد کاتدی برای باتری های یون لیتیمی درنظرگرفته شده است .در این کار، یک روش ترسیب آندی جدید برای سنتز لیتیم نیکل منگنز اکسید به عنوان ماده کاتدی برای باتری های یون لیتیمی به کار گرفته شد. نتایج نشان داد که افزودن نیکل به منگنز دی اکسید میزبان تاثیر مثبت داشته و عوامل مختلفیی را ارتقامی دهد :ا زجمله همگن بودن اندازه ذرات، کاهش مقاومت انتقال بار، افزایش ظرفیت شارژ /دشارژ و بهبود چرخه ندگی. تحقیقات بیشتر را می توان به منظور بهینه سازی ترکیب کاتدی LixNiyMn2-yO4 و بررسی قابلیت کاربرد این روش برای سایر مواد فعال از نظر الکتروشیمیایی انجام داد.
مقدمه
الزامات کلیدی برای اینکه یک ماده بتواند به عنوان کاتد برای باتری های یون لیتیمی مورد اسیتفاده قرار گیردباید شامل یونی با سرعت اکسایش-کیاهش بالا ، مثل فلزات واسطه باشد .علاوه بر این، باید به طور برگشت پذیر با لیتیم واکنش داده و ساختاری داشته باشدکه الزاما با درج و استخراج لیتیم تغییر نکند [1] .ظرفیت بالا، ولتاژ بالا ترجیحا در حدود 4 Vداشته و به سرعت با لیتیم واکنش دهد .هدایت الکترونی بالایی داشته باشد که در این مورد ترجیحا ماده بایدفلزی باشد.کم هزینه بوده و از نظر زیست محیطی بی خطر باشد .
[2-3] از بین مواد تهیه شده، LiNi0.5Mn1.5O4 استخراج برگشت پذیر کامل یون های لیتیم را در 4/7 V ارائه می دهد که 1/1 V بالاتر از پتانسیل ساختار اسپینل است .[4] این ترکیب نسل جدیدی از باتری های یون لیتیمی را آغاز کرده اسیت که قادر به عملکرد در ولتاژهای بالا هستند.لیتیم نیکل منگنزاکسید به دو فرم اکسایشی کلی LiNixMn1-xO2 و LiNixMn2-xO4 که به ترتیب ساختارهای لایه ای و اسپینل دارند، موجود است [5] .ترکیب LiNixMn2-xO4به دلیل داشتن شبکه سه بعدی جهت درج واستخراج یون های لیتیم سینتیک بهتری دارد و برای استفاده به عنوان کاتد باتر ی های یون لیتیمی مطلوب تر است. [6]
بخش تجربی
ابتدا نمک ها ی لیتیم سولفات مونوهیدرات، نیکل سولفات هگزاهیدرات و نیکل سولفات مونوهیدرات با نسبت های مولی مشخص، توسط ترازوی دیجیتالی وزن و به بشر منتقل شد . مقدارمشخص سولفوریک اسید با غلظت مشخص به بشر اضافه شده و روی همزن مغناطیسی به مدت 30دقیقه با سرعت 250 دور بر دقیقه همزده شد. pH محلول اندزه گیری شد و دو الکترودسربی به عنوان کاتد و یک الکترود سربی به عنوان آند بین دو کاتد در محلول قرار گرفت .الکترودهابه منبع تغدیه متصل شد و پس از تنظیم شدت جریان، ترسیب الکتروشیمیایی به روش آندی به مدت90دقیقه همراه با همزدن توسط همزن مغناطیسی و کنترل دما انجام شد، تیغه ها از محلول خارج شدو به مدت 30 دقیقه روی هیتر در 100 ℃ خشک شد.
برای تهیه الکترود مثبت، 0/01 g نمونه همراه باg 0/001 گرافیت در هاون عقیق ساییده شده وسپس 1 قطره پلی وینیلیدن فلورید به عنوان پیوند دهنده ذرات و 1 قطره NMP به عنوان حلال به مواداضافه شد .به طوری که نسبت وزنی مواد به صورت 85 %ماده کاتدی، % 10گرافیت،5% PVDF درNMP باشد . مخلوط روی فویل آلومینیوم با قطر تقریبا 1 cmقرار گرفته و روی هیتر در دمای 100 ℃به مدت 12 ساعت خشک شد. 10 نوشته شود.
برای بررسی خواص الکتروشیمیایی شامل ، ولتامتری چرخه ای ازگالوانواستات /پتانسیواستات اتولب 4 مدل PGSTAT 302 Nو نرم افزار نوآ 1 استفاده شد.دستگاه-ICP OES Varian-Vista Proبرای تعیین ترکیب شیمیایی بکار گرفته شد.دستگاه FT-IR ساخت شرکت Bruker مدل Alpha برای بدست آوردن طیف مادون قرمز نمونه ها مورد استفاده قرار گرفت.دستگاه XRD ساخت شرکت Philips مجهز به مونوکروماتور برای تهیه گراف خیام به کارگرفته شد.
نتایج و بحث
-1 ولتامتری چرخه ای
با استفاده از ولتاموگرام های به دست آمده از این تست می توان نوع ماده کاتدی، ساختار بلور احتمالی و کارآیی آن را به عنوان ماده کاتدی بررسی کرد. یک نمونه ولتاموگرام مربوط به نمونه های لیتیم نیکل منگنز اکسید تهیه شده در شکل - 1 الف - مشاهده می شود .همان طورکه در این نمودار نشان داده شده، دو پیک یکی در حدود 4 V و دیگری در حدود 4/7V مشاهده می شود . پیک در 4 V مربوط به واکنش های ردوکس Mn3+/Mn4+ بوده که هرچه این پیک واضح تر باشد، نقص اکسیژن در ساختار بلوری بیشتر بوده و میزان یون های Mn3+در ساختار بیشتر است .پیک در حدود 4/7 V مربوط به واکنش های ردوکس Ni2+/Ni4+ است.
این پیک به صورت دوشاخه دیده می شود که نشان دهنده ردوکس دو مرحله ای نیکل به شکل Ni2+/Ni3+ و Ni3+/Ni4+ است. همان طورکه پیش از این گفته شد، این ماده دارای دو ساختار بلوری است، با توجه به منحصر به فرد بودن ولتاموگرام هر ساختار بلوری، پیک های مشاهده شده را می توان به لیتی نیکل منگنز اکسیدبا فرمول کلی LiNi0.5Mn1.5O4 نسبت داد.در مقایسه دو ولتاموگرام در شکل 1 ، پیک های آندی و کاتدی برای هر دو ترکیب مشاهده می شود، با این تفاوت که پیک منگنز ترکیب LNM6قوی تر است .از آنجایی که شدت بیشتر این پیک، نشان دهنده خصلت الکتروشیمیایی بهتر است، بنابراین نمونه تهیه شده در چگالی جریان 10 mA/cm2ماده کاتدی بهتری است.
