سنتز نانومگهمیت و بررسی عملکرد آن بعنوان آند در باتری لیتیومی

پژوهشگر: محمد گل محمد

اساتید راهنما: دکتر فرهاد گلستانی فرد، دکتر علیرضا میرحبیبی

استاد مشاور: دکتر اریک کلدر

دانشگاه علم و صنعت ایران

زمستان ۱۳۹۴

چکیده: در این پژوهش، با روش طراحی آزمایش و بهینه ­سازی پارامترهای روش هم ­رسوبی، نانومگهمیت با اندازه متوسط nm۱۱ جهت استفاده به عنوان آند باتری لیتیمی سنتز گردید. بررسی پارامترهای موثر در این روش نشان داد که pH و نسبت Fe^۳+/Fe^۲+ تاثیر بیشتری بر اندازه ذرات نسبت به دما و زمان دارند. برای بررسی تاثیر اندازه ذرات اولیه بر عملکرد، با افزایش زمان واکنش ذرات با اندازه متوسطnm  ۲۲ و ۴۱ تهیه شد. همچنین برای بررسی تاثیر شکل پودر اولیه، با تغییر پارامترهای فرایند سنتز، علاوه بر ذرات شبه­ کروی، ذرات با اشکال شبه­ ­سوزنی و صفحه ­ای با سطح ویژه نسبتاً مشابه (حدود m^۲.g^-۱ ۷±۱۱۲) و برای بررسی تاثیر تخلخل، ذرات متخلخل با سطح ویژه m^۲.g^-۱ ۲۸۵ تهیه گردیدند. در ادامه، دوغابی از ذرات مگهمیت تهیه و لایه آند به روش ریخته­ گری نواری جهت آزمایش باتری آماده گردید. بررسی تغییرات ظرفیت ویژه نانوذرات مگهمیت به عنوان آند در دانسیته جریان mA.g^-۱ ۵۰۰ نشان داد که ظرفیت برگشت پذیر برای نانومگهمیت با اندازه متوسط nm ۱۱ (mAh.g^-۱۴۳۰) از نانومگهمیت­های با اندازه متوسط nm ۲۲ و ۴۱(mAh.g^-۱ ۳۸۰ و ۲۹۰)  بالاتر بود. علت این افزایش می­تواند ناشی از سطح ویژه بالاتر و طول نفوذ کوتاهتر یو نلیتیوم باشد.همچنین نتایج آزمایش باتری برای نمونه شبه­سوزنی ظرفیت برگشت پذیرmAh.g^-۱۵۱۰ را نشان داد که بیشتر از ظرفیت برگشت پذیر نمونه­ های صفحه ­ای و شبه­کروی) mAh.g^-۱۴۷۰، ۴۳۰) است که این امر ناشی از مقاومت بالاتر ذرات شبه ­سوزنی در رهایی تنش در حین شارژ و دشارژ است. نتایج آزمایش نمونه متخلخل حاکی از ظرفیت ویژه برگشت ­پذیرmAh.g^-۱۷۲۰ بود که به صورت قابل ملاحظه ­ای بالاتر از سایر ذرات است. علت این امر علاوه بر سطح ویژه بالاتر، وجود تخلخل­هایی است که در هنگام شارژ و دشارژ باعث تحمل تغییرات حجمی ذرات گردیده و از جدایش ذرات از یکدیگر و از زیرلایه در الکترود جلوگیری می­کنند. در نهایت تغییرات ظرفیت آهن در حین دشارژ مورد بررسی قرار گرفت و روند مکانیزم واکنش لیتیوم با مگهمیت پیشنهاد گردید. نتایج این تحقیق نشان داد که افزایش سطح ویژه، کنترل شکل ذرات و ایجاد تخلخل در پودر اولیه باعث افزایش ظرفیت برگشت ­پذیر و سیکل ­پذیری مگهمیت به عنوان آند شده و امکان استفاده از آن را به عنوان آند در باتری­ های لیتیومی فراهم می­کند.

کلمات کلیدی: باتری لیتیومی، نانومگهمیت، روش هم ­رسوبی، شکل ذرات، ظرفیت برگشت­ پذیر