پایان نامه دکتری آقای محمد گل محمد

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 Fe۳+/Fe۲+ 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 m۲.g ۷±۱۱۲) و برای بررسی تاثیر تخلخل، ذرات متخلخل با سطح ویژه m۲.g 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 ۵۰۰ نشان داد که ظرفیت برگشت پذیر برای نانومگهمیت با اندازه متوسط nm ۱۱ (mAh.g۴۳۰) از نانومگهمیت­های با اندازه متوسط nm ۲۲ و ۴۱(mAh.g 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.g۵۱۰ را نشان داد که بیشتر از ظرفیت برگشت پذیر نمونه­ های صفحه ­ای و شبه­کروی) mAh.g۴۷۰، 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.g۷۲۰ 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