سطح مقاله
نویسندگان
عباس رستمی
(نویسنده اول)
کلمات کلیدی
کربن
کاربرد
باتری
امتیاز کاربران
نانوساختارهای کربنی و کاربرد آن در باتری
در این مقاله ابتدا درباره نقش نانولوله کربنی و گرافن به عنوان ماده فعال مطالبی بیان میشود. مزایا و معایب این نوع مواد فعال مطرح میشود. سپس درباره کاربرد گستردهتر نانوساختارهای کربنی مثل نانوپوشش کربنی، نانولوله کربنی و گرافن در بهبود رسانایی الکتریکی کاتد و آند مطالبی بیان میشود. در آخر کاربردهای گرافن و نانولوله کربنی در باتریهای توان بالا و کاغذی معرفی میشود.
1- نانوساختارهای کربنی به عنوان مواد فعال جدید
نانولوله کربنی و گرافن ساختارهای جدیدی از کربن هستند که امروز به دلیل خواص فوقالعاده الکترونیکی، مکانیکی، شیمیایی و ... مورد توجه بسیار گستردهای قرار گرفتهاند. با توجه به این که این ساختارها مانند گرافیت، ترکیب کربن دارند، انتظار این است که مشابه گرافیت به عنوان یک ماده فعال برای آند مطرح باشند. بررسیها نشان داده است که نانولولههای کربنی (CNT) به طور مشهور ظرفیتی دو برابر گرافیت دارند. بدین معنی که در نانولوله کربنی به ازای هر سه اتم کربن، یک لیتیوم میتواند ذخیره شود (ظرفیت حدود 641mAh/g) در حالی که در گرافیت به ازای هر شش اتم کربن، یک لیتیوم ذخیره میشود. ظرفیت گزارش شده برای نانولوله کربنی در مقالات مختلف بسیار متفاوت است، از ظرفیت کمتر از گرافیت حدود 200mAh/g تا ظرفیتهای چندین برابر گرافیت حدود 1000mAh/g گزارش شده است. علت این بازده گسترده در این است که نانولولههای کربنی میتوانند با هم خیلی متفاوت باشند. با توجه به عواملی مثل نوع نانولوله کربنی (تک دیواره یا چند دیواره)، قطر و طول نانولوله، نیمه هادی یا فلزی بودن، انتهای باز یا بسته نانولوله، نقصهای موجود در نانولوله کربنی و ... ظرفیت میتواند کاملاً متفاوت باشد. به علت محدودیت مطالب و اهمیت نسبتاً کمتر این مباحث نسبت به مباحث مهمتر آتی، تأثیرات این عوامل ذکر نمیشود و علاقهمندان میتوانند به مقاله منابع [2-1] مراجعه کنند.
درباره گرافن نیز در حدود 1200mAh/g گزارش شده که در آن نیز بسته به کیفیت گرافن (rGO، GO و GNS و ...)، گروههای عاملی، ابعاد گرافن، لبههای آن، دوپینگ، نقصها و عوامل دیگر ظرفیت گزارش شده میتواند متفاوت باشد که برای اطلاعات بیشتر میتوان به همان مقالات مراجعه کرد.
این ظرفیتها گرچه از گرافیت بیشتر است ولی در مقایسه با آندهای آلیاژی بسیار پایینتر است. از طرفی برگشتپذیری این آندها نیز پایین است به طوری که ظرفیت بعد از اولین سیکل، دهها درصد کاهش مییابد، در حالی که برای آند گرافیتی میتوان گفت ظرفیت کاهشی ندارد. به علاوه این نانوساختارهای کربنی هم قیمت بالاتر و هم روش سنتز سختتری در مقایسه با نانوساختار آندهای آلیاژی و تبادلی دارند. همه این معایب موجب میشود که نانوساختارهای کربنی در مقایسه با آندهای دیگر کمتر مورد توجه تحقیقات باشند. از اینرو در این مقاله، این جنبه یعنی ذخیره لیتیوم در این مواد، کمتر مورد بررسی قرار میگیرد.
2- انتقال الکترونی و تأثیر نانوساختارهای کربنی
برای بهبود عملکرد باتری خصوصاً در جریانهای بالا اتخاذ دو راهکار ضروری است، یکی این که رسانش یونی لیتیوم را افزایش دهیم که با کم کردن مسافت نفوذ از طریق نانوابعاد کردن ماده فعال صورت میگیرد و تا به حال در مقالات مختلف مفصل بحث شد و دیگری این که رسانش الکترونی را ارتقا دهیم. قبل از بحث دوباره توصیه میشود نگاهی به شکل 1 بیاندازید؛ در الکترودهای معمولی در باتری (خواه مواد فعال میکرونی باشد یا نانومتری) که به روش مرسوم روش دوغابی (Slurry) تهیه شدهاند، یک سری مواد افزودنی رسانا که عمدتاً کربن (استیلن بلک و کربن بلک و ...) هستند به الکترود اضافه میشوند تا رسانش الکترونی را بهبود دهند؛ با این حال برای خیلی از الکترودها، خصوصاً در توان بالا، این بهبود رسانش الکترونی کافی نیست. بنابراین نیاز به بهبود رسانش الکترونی به طریق دیگری علاوه بر این روش است.
منابـــع و مراجــــع
1. delas Casas, Charles, and Wenzhi Li. "A review of application of carbon nanotubes for lithium ion battery anode material." Journal of Power Sources 208 (2012): 74-85.
2. Candelaria, Stephanie L., et al. "Nanostructured carbon for energy storage and conversion." Nano Energy 1.2 (2012): 195-220.
3. Reddy, Arava Leela Mohana, et al. "Coaxial MnO2/carbon nanotube array electrodes for high-performance lithium batteries." Nano Letters 9.3 (2009): 1002-1006.
4. Liu, Jiehua, and Xue‐Wei Liu. "Two‐Dimensional Nanoarchitectures for Lithium Storage." Advanced materials 24.30 (2012): 4097-4111.
5. Xia, Hui, et al. "Ultrafine LiMn 2 O 4/carbon nanotube nanocomposite with excellent rate capability and cycling stability for lithium-ion batteries." Journal of Power Sources 212 (2012): 28-34.
6. Wang, Jiajun, and Xueliang Sun. "Understanding and recent development of carbon coating on LiFePO 4 cathode materials for lithium-ion batteries." Energy & Environmental Science 5.1 (2012): 5163-5185.
7. Ni, Jiangfeng, et al. "A review on integrating nano-carbons into polyanion phosphates and silicates for rechargeable lithium batteries." Carbon 92 (2015): 15-25.
8. Reddy, Arava Leela Mohana, et al. "Coaxial MnO2/carbon nanotube array electrodes for high-performance lithium batteries." Nano Letters 9.3 (2009): 1002-1006.
9. Cui, Li-Feng, et al. "Light-weight free-standing carbon nanotube-silicon films for anodes of lithium ion batteries." Acs Nano 4.7 (2010): 3671-3678.
10. Wang, Donghai, et al. "Self-assembled TiO2–graphene hybrid nanostructures for enhanced Li-ion insertion." ACS nano 3.4 (2009): 907-914.