بخشی از پاورپوینت
اسلاید 1 :
عنوان: کاربرد نانومواد در ارتقای عملکرد الکترولیتهای باتریهای لیتیم یون
اسلاید 3 :
انواع الکترولیتها
یک باتری لیتیم یون از دو الکترود (مثبت و منفی) و الکترولیت تشکیل شده است که بسته به نوع باتری هر یک از اجزا ساختار مخصوص به خود را دارند.
الکترولیت قلب یک باتری محسوب میشود و در عملکرد آن نقش اساسی را ایفا مینماید.
مهمترین تفاوت بین پیلهای معمولی و باتریهای لیتیم استفاده از حلالهای آلی بجای آب در نقش حلال الکترولیت است.
در باتریهای لیتیمی یون Li+ ارتباط الکتریکی بین دو الکترود را بر قرار مینماید و در دو الکترود تبادل الکترون انجام میدهد.
اسلاید 4 :
انواع الکترولیتها
در باتریهای لیتیمی اولیه از الکترولیتهای مایع استفاده میگردید.
پس از باتریهای لیتیمی اولیه، نسل جدید الکترولیتها که شامل پلیمرهای بی شکل (Amorphous Polymers) بودند ساخته شد.
تحقیقات بر روی الکترولیتهای پلیمری بی شکل جهت بهبود خواص و یافتن پلیمر مناسب منجر به ساخت.
الکترولیتهای پلیمرهای بلوری (Crystalline Polymers) گردید.
اسلاید 5 :
الکترولیتهای مایع
الکترولیتهای مایع از حلالهای آلی و محلول نمکهای لیتیم تشکیل شده اند.
الکترولیتهایی پایه LiPF6، عمدتا از لیتیم آلکیل کربنات، لیتیم آلکوکسید، بخشهای نمکی دیگر مثل LiF تشکیل شده اند.
از مشکلات عمده الکترولیتهای مایع هدایت پایین یا مقاومت الکتریکی بالا به دلیل استفاده از حلالهای آلی است.
از بهترین عملکردها در استفاده از نانومواد، درالکترولیتهای مایع مشاهده شده است.
اسلاید 6 :
الکترولیتهای مایع
چگونه نانو مواد میتوانند بر خواص متعارف الکترولیت مایع مورد استفاده در باتریهای لیتیم یون تاثیر بگذارند؟
اسلاید 7 :
الکترولیتهای مایع
اضافه کردن نانوپودرهایی از ترکیباتی مانند Al2O3، SiO2 و ZrO2 به الکترولیت غیرآبی میتواند هدایت را تا 6 برابر افزایش دهد.
شکل زیر هدایت کامپوزیتهای مختلف بر اساس کسر حجمی از اکسیدهای مختلف را نمایش می دهد.
در یک کسر وزنی بهینه هدایت افزایش یافته و بعد از آن دوباره کاهش می یابد.
اسلاید 8 :
الکترولیتهای مایع
برهمکنشهای سطح مشترک الکترولیت مایع و ذرات جامد در استفاده از مواد با اندازههای متفاوت (نانومواد و مواد توده ای) بسیار متفاوت است.
بار فضایی و تاثیرات دوقطبی (Dipole) که در سطح مشترک وجود دارد منجر به تغییر در تعادلات بین یونهای آزاد و زوج یونها شده و بنابراین بر هدایت تاثیر میگذارد.
چنین اثراتی با جذب ویژه (جذب شیمیایی) افزایش مییابد.
اسلاید 9 :
الکترولیتهای مایع
آنیونها در سطح باعث تفکیک زوج یونها میشوند و جابجایی و تحرک یونها (Ion Mobility) نیز در سطح تحت تاثیر قرار میگیرد.
با بزرگتر شدن نسبت سطح به حجم که در اثر کوچک شدن ذرات حاصل میشود، تاثیرات به ازای واحد جرم پودر ذره افزایش مییابد.
براساس تحقیقات باید نسبت مناسبی از پودر نانوذره مورد استفاده قرار گیرد تا.
تراوش و نفوذ از یک سطح به سطح دیگر اتفاق افتد.
هدایت منطقهای زیاد شود.
باافزایش هدایت منطقهای، هدایت محدوده وسیعی در الکترولیت افزایش می یابد.
اسلاید 10 :
الکترولیتهای پلیمری بی شکل (Amorphous Polymer Electrolytes)
بیشتر توجهات به الکترولیتهای پلیمری جامد با پایه پلی (اتیلن اکسید) ((Polyethyelen Oxide-PEO-Based معطوف است.
PEOها اغلب به عنوان الکترولیتهای پلیمر واقعی جامد محسوب میشوند چون:
شامل حلالهای پلاستیک کننده نیستند.
زنجیره پلیمری به عنوان ساختار و عامل حل کننده حلال عمل مینماید.
اسلاید 11 :
الکترولیتهای پلیمری بی شکل (Amorphous Polymer Electrolytes)
برتریهای PEO:
قیمت پایین
پایداری شیمیایی خوب
ایمنی بالا
مشکلات PEO:
هدایت PEO نسبت به لیتیم تنها در دماهای بالاتر از 70 درجه بالاست.
هدایت در PEO بیشتر به دلیل حرکت آنیونها است و تعداد لیتیم انتقال یافته توسط این پلیمرها پایین است.
این امر موجب محدودیت در قدرت باتریهای لیتیم یون میشود.
اسلاید 12 :
الکترولیتهای پلیمری بی شکل (Amorphous Polymer Electrolytes)
راهکاری که منجر به افزایش قابل توجهی در خواص انتقالی PEO شد:
استفاده از نانوذرات پرکننده سرامیکی مانند TiO2، Al2O3 و SiO2 درون ماتریس پلیمر.
الکترولیتهای مایع و الکترولیتهای پلیمری جامد تفاوت اساسی دارند، اما در هر دو الکترولیت از نانوذرات می توان بهره برد.
اسلاید 13 :
الکترولیتهای پلیمری بی شکل (Amorphous Polymer Electrolytes)
پلیمرهای آمورف، مایعات با گرانروی (Viscosity) بسیار بالا نامیده می شوند.
مخلوط جدید الکترولیتهای پلیمری جامد و نانوذرات تحت عنوان:
الکترولیتهای پلیمری نانوکامپوزیتی (Nanocomposite Polymer Electrolytes, NCPEs) شناخته شدهاند.
اسلاید 14 :
از نقشهای پرکنندههای نانو .
این مواد با ممانعت از بلوری شدن زنجیرههای پلیمری تحت بازپخت (Annealing) در دمای 70 درجه در پلیمر به عنوان نرم کننده مورد استفاده قرار میگیرند.
بازپخت باعث پایداری فاز آمورف در دمای پایینتر شده، گستره مفید هدایت الکترولیت را افزایش می دهد.
اسلاید 15 :
پرکنندههای سرامیکی.
با برهمکنش اسید و باز لوئیس (Lewis Acids and Bases) انتقال تعداد یون لیتیم را که بین سطح سرامیک و هر دو آنیون X از نمک و بخشهای زنجیره پلی اتیلن اکسید اتفاق میافتد، افزایش میدهند.
اسلاید 16 :
میزان افزایش هدایت توسط پرکنندههای سرامیکی بیشتر به نوع پرکننده و تا حدودی به سطح فعال آن وابسته است.
این مطلب با نتایج به دست آمده از پرکنندههای سرامیکی سوپر اسید سولفات اکسیدزیرکونیوم (S-ZrO) ثابت شده است.
اکسید زیرکونیم فرآوری شده یک اسید بسیار قوی است.
این اکسید با بیش از 2 عدد H2SO4 با کاتیونهایZr4+ غیراشباع کوردینه شده، که توانایی الکترونگیرندگی بسیار قویای دارد.
اسلاید 17 :
به علت اسیدیته بالا، مواد سرامیکی کاندیدای مناسبی برای اضافه کردن به الکترولیتهای پلیمری آمورف جهت بهبود خواص میباشند.
پخش کردن این مواد در الکترولیت معمول PEO-LiBF4 باعث ایجاد خواص منحصر به فرد در NCPE شده است.
با استفاده از روش کلاسیک Buce & Vincent عدد انتقال (که بیانگر قابلیت جابجایی یونهای لیتیم و هدایت بیشتر است)، TLi+، 0/05±0/81 است.
این مقدار تقریباً دو برابر بزرگتر از الکترولیت بدون سرامیک است.
اسلاید 18 :
الکترولیتهای پلیمری باید تنها هادی کاتیونها باشند.
ماهیت حلال بودن الکترولیتهای پلیمری چندان تاثیری در عملکرد باتریها ندارد.
آنیونها باید حداقل جابجایی را در درون حلال داشته باشند.
یعنی: بخش عمدهای از رسانش در الکترولیت باید توسط کاتیونهای لیتیم (و نه آنیونهای همراه آن) صورت گیرد.
اسلاید 19 :
تلاشهای زیادی در جهت کاهش و یا جلوگیری از تحرک آنیونها صورت گرفته است.
اما کاهش تحرک بسیار کم بوده و به طور عمومی با کاهش هدایت الکترولیت همراه است.
استفاده از نانوکامپوزیت به عنوان پرکنندههای سرامیکی نانو تاثیر بسیار خوبی را بر هدایت الکترولیت میگذارد.
اسلاید 20 :
تاثیر نانوکامپوزیت در شکل زیر با مقایسه نمودار آرنیوس (Arrhenius) از الکترولیت شامل پرکننده S-ZrO2 و الکترولیت یکسان بدون پرکننده، نشان داده شده است.
هدایت الکترولیت همراه با پرکننده در گستره دمایی مورد نظر بسیار بالاتر است.
