برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۱۰/۲۲ تا ۱۳۹۷/۱۰/۲۸

ضمائم مقاله
مقالات مرتبط
اخبار مرتبط
آمار مقاله
  • بازدید کل ۲۶,۲۰۷
  • بازدید این ماه ۱۲۵
  • بازدید امروز ۰
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۴۳۴
  • قبول شدگان ۳۳۴
  • شرکت کنندگان یکتا ۱۸۳
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۷۱
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

پیشرفته 1

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

کاربرد نانومواد در ارتقای عملکرد الکترولیت‌های باتری‌های لیتیم یون

ساخت باتری های لیتیمی تحول عظیمی در زمینه ذخیره انرژی الکتریکی ایجاد نمود و نقش این تحول در رشد و توسعه وسایل الکتریکی قابل حمل انکار ناپذیر است. به عبارت دیگر وسایل قابل حمل الکتریکی امروزی گسترش خود را مدیون باتری های لیتیمی هستند. باتری های لیتیمی ساختار و اجزا فوق پیشرفته ای دارند که عملکرد آن ها تحت تاثیر هر یک از این اجزا می باشد بطوری که هر نقص جزئی در هر یک ازاین موارد باعث اخلال در عملکرد باتری می‌شود. برای ساخت یک باتری با کیفیت باید نسبت به تمام اجزا آن شناخت کافی و دقیق داشت. همان طور که در مقاله پیشین بیان شد، هر باتری از دو الکترود و یک الکترولیت تشکیل شده است. در این مقاله تلاش شده است تا سیر تکاملی الکترولیت های (Electrolyte) باتری های لیتیمی به عنوان یکی از مهمترین اجزا در این وسیله مورد بررسی قرار گیرد.
1- مقدمه، انواع الکترولیت‌ها

عنوان : نانوفناوری و باتری های لیتیم یون

توضیحات : نانومواد نقش بسزایی در توسعه ی باتری های لیتیم-یون دارند. از ان جمله می توان به استفاده ی نانومواد در الکترولیت های مایع، استفاده از نانوذرات پرکننده سرامیکی مانند TiO2، Al2O3 و SiO2 درون ماتریس پلیمر در الکترولیت پلیمری اشاره کرد.

نمایش توضیحات فیلم


چند رسانه ای: نانوفناوری و باتری های لیتیم یون

باتری های لیتیم یون به دلیل ساختار فوق پیشرفته ای که دارند دارای اجزا با پیچیدگی خاص خود می باشند که بررسی دقیق هر یک از این اجزا برای درک نحوه عملکرد و بهبود خواص آنها ضروری است. در یک نگاه اجمالی 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. بحث در مورد الکترود ها را به مقالات آینده موکول می کنیم و به بحث در مورد الکترولیت ها می پردازیم. به طور کلی الکترولیت قلب یک باتری محسوب می‌شود و در عملکرد آن نقش اساسی را ایفا می‌نماید. همان طور که در مقاله قبلی گفته شد، 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. الکترولیت هم مانند دیگر اجزای باتری های لیتیم یون سیر تکاملی خود را با سرعت نسبتا بالایی طی نموده و با پیشرفت‌های جدید به طور کلی متحول گردیده است. در باتری‌های لیتیمی اولیه از الکترولیت‌های مایع استفاده می‌گردید و طی سالیان زیادی تحقیقات گسترده‌ای برای بهبود و رفع مشکلات آن صورت گرفت تا اینکه 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 که در ادامه مختصری در مورد انواع این الکترولیت‌ها توضیح داده می شود.

2- الکترولیت‌های مایع
الکترولیت های مایع از حلال های آلی تشکیل شده اند که نمک های لیتیم در آن ها حل شده است. به عنوان مثال الکترولیت‌هایی با پایه LiPF6، عمدتا از لیتیم آلکیل کربنات، لیتیم آلکوکسید، بخش‌های نمکی دیگر مثل LiF تشکیل شده اند. یکی از مشکلات عمده الکترولیت های مایع هدایت پایین و به عبارت دیگر مقاومت الکتریکی بالا به دلیل استفاده از حلال‌های آلی است که بررسی های زیادی برای رفع این مشکل صورت گرفته است. یکی از بهترین عملکردها در استفاده از نانومواد در این الکترولیت‌ها مشاهده گردیده است. در نگاه اول ممکن است شگفت انگیز به نظر برسد که چگونه نانو مواد می‌توانند بر خواص متعارف الکترولیت مایع مورد استفاده در باتری‌های لیتیم یون تاثیر بگذارند در حالی که شواهد و مدارک زیادی در بهبود عملکرد باتری‌ها با استفاده از این مواد وجود دارد. اضافه کردن پودرها به ویژه در شکل نانوذره، از ترکیباتی مانند Al2O3، SiO2 و ZrO2 به الکترولیت غیرآبی می‌تواند هدایت را تا 6 برابر افزایش دهد شکل 1 هدایت کامپوزیت های مختلف بر اساس کسر حجمی از اکسیدهای مختلف را نمایش می دهد. آشکار است که در یک کسر وزنی بهینه هدایت افزایش یافته و بعد از آن دوباره کاهش می یابد.

filereader.php?p1=main_6c851670beee739e6
شکل 1- هدایت کامپوزیت‌های مختلف بر اساس کسر حجمی () از اکسیدهای مختلف (قطر ذرات تقریباً 0.3 میکرومتر)

بی شک برهمکنش های سطح مشترک الکترولیت مایع و ذرات جامد در استفاده از مواد با ندازه های 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 یون های آزاد و زوج یون‌ها شده و بنابراین بر هدایت تاثیر می‌گذارد. به طور کلی چنین اثراتی با جذب ویژه (جذب شیمیایی) افزایش می‌یابد. به عنوان مثال آنیون‌ها در سطح باعث تفکیک زوج یون‌ها می‌شوند و حتی جابجایی و تحرک یون ها (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. تحقیقات نشان داده است که باید نسبت مناسبی از پور نانوذره مورد استفاده قرار گیرد تا تراوش و نفوذ از یک سطح به سطح دیگر اتفاق افتد و در واقع هدایت منطقه‌ای زیاد شود و هدایت منطقه‌ای منجر به افزایش هدایت محدوده وسیع در سراسر الکترولیت شود. به لحاظ مقدار پودر مورد استفاده و خواص مکانیکی حاصل بعد از اضافه کردن پودر نانوذره به این مواد "ماسه‌تر (Soggy Sands)" گفته می‌شود[1].

3- الکترولیت‌های پلیمری بی شکل (Amorphous Polymer Electrolytes) :
پیشرفت در تکنولوژی باتری‌های لیتیم یون با جایگزینی الکترولیت‌های مایع متداول با الکترولیت‌های پلیمری جامد (Solid Polymer Electrolytes - SPEs) بسیار متحول شد. تحقیقات زیادی بر روی پلیمرهای هادی یون لیتیم که برای این منظور ساخته شده بودند صورت گرفت و خواص آن مورد بررسی قرار داده شد تا پلیمری مناسب جهت استفاده به عنوان الکترولیت بدست آمد. اما بیشتر توجهات به الکترولیت‌های پلیمری جامد با پایه پلی (اتیلن اکسید) (Polyethyelen Oxide-PEO-Based) معطوف است. این نوع از پلیمرها اغلب به عنوان الکترولیت‌های پلیمر واقعی جامد محسوب می‌شوند زیرا شامل حلال‌های پلاستیک کننده نیستند و زنجیره پلیمری آن‌ها هم به عنوان ساختار و هم به عنوان عامل حل کننده حلال عمل می‌نماید. از برتری‌های الکترولیت های پلیمری با پایه پلی اتیلن اکسید قیمت پایین، پایداری شیمیایی خوب و ایمنی بالا است اما هنوز مشکلاتی در مورد این مواد وجود دارد. از این می توان گفت که هدایت این پلیمرها نسبت به لیتیم تنها در دماهای بالاتر از 70 درجه بالاست و بعلاوه هدایت در این پلیمرها بیشتر به دلیل حرکت آنیون‌ها است و تعداد لیتیم انتقال یافته توسط این پلیمرها پایین است که این امر موجب محدود در قدرت باتری‌های لیتیم یون می‌شود.
تلاش‌های زیادی برای حل این مشکل به عمل آمده است که یکی از راهکارهای جالب که منجر به افزایش قابل توجهی در خواص انتقالی الکترولیت‌های پلیمری جامد با پایه پلی اتیلن اکسید شد، استفاده از نانوذرات پرکننده سرامیکی مانند TiO2، Al2O3 و SiO2 درون ماتریس پلیمر است. اگرچه الکترولیت‌های مایع و الکترولیت‌های پلیمری جامد تفاوت اساسی دارند، اضافه کردن نانوذرات به الکترولیت‌های پلیمری جامد تشابه آشکاری با اضافه کردن نانو ذرات به الکترولیت مایع وجود دارد. در واقع می‌توان پلیمرهای آمورف را مایعات با گرانروی (Viscosity) بسیار بالا نامید. این مخلوط جدید الکترولیت‌های پلیمری جامد و نانوذرات تحت عنوان الکترولیت‌های پلیمری نانوکامپوزیتی (Nanocomposite Polymer Electrolytes, NCPEs) شناخته شده‌اند.
یکی از نقش‌هایی که برای پرکننده‌های نانو متصور شده این است که این مواد با ممانعت از از بلوری شدن زنجیره‌های پلیمری تحت بازپخت (Annealing) در دمای 70 درجه در پلیمر به عنوان نرم کننده مورد استفاده قرار می‌گیرند. این عمل باعث پایداری فاز آمورف در دمای پایین‌تر شده و بنابراین موجب افزایش گستره مفید هدایت الکترولیت می‌گردد. به علاوه پرکننده‌های سرامیکی، انتقال تعداد یون لیتیم را با برهمکنش اسید و باز لوئیس (Lewis Acids and Bases) که بین سطح سرامیک و هر دو آنیون X از نمک و بخش‌های زنجیره پلی اتیلن اکسید اتفاق می‌افتد افزایش می‌دهند.
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 که با بیش از 2 عدد H2SO4 با کاتیون های +Zr4 غیراشباع کوردینه شده که توانایی الکترون‌گیرندگی بسیار قوی‌ای دارد.
به علت این اسیدیته بالا، مواد سرامیکی کاندیدای مناسبی برای اضافه کردن به الکترولیت‌های پلیمری آمورف جهت بهبود خواص می‌باشند. در واقع پخش کردن این مواد در الکترولیت معمول PEO-LiBF4 باعث ایجاد خواص منحصر به فرد در NCPE شده است. عدد انتقال (که بیانگر قابلیت جابجایی یون های لیتیم و هدایت بیشتر است)، TLi+، با روش کلاسیک Buce & Vincent تعیین شد که مقدار+TLi حاصل از روش 0.05±0.81 است که این مقدار تقریباً دو برابر بزرگ‌تر از الکترولیت بدون سرامیک است.

نکته مهم که باید مد نظر قرار داده شود این است که الکترولیت‌های پلیمری باید تنها هادی کاتیون ها باشند و ماهیت حلال بودن آن‌ها چندان تاثیری در عملکرد باتری‌ها ندارد. بعلاوه آنیون‌ها باید حداقل جابجایی را در درون حلال داشته باشند. این به آن معنی است که بخش عمده ای از رسانش در الکترولیت باید توسط کاتیون های لیتیم (و نه آنیون های همراه آن) صورت گیرد. تلاش‌های زیادی در جهت کاهش و یا جلوگیری از تحرک آنیون‌ها صورت گرفته است اما آنچه که در مقالات گذشته مشاهده شده، کاهش تحرک بسیار کم بوده و به طور عمومی با کاهش هدایت الکترولیت همراه بوده است. استفاده از نانوکامپوزیت به عنوان یک روش موثر شناخته شده که حتی پخش کردن مقدار کمی از پرکننده‌های سرامیکی نانو تاثیر بسیار خوبی را بر هدایت الکترولیت می‌گذارد. این تاثیر در شکل 2 با مقایسه نمودار آرنیوس (Arrhenius) الکترولیت شامل پرکننده S-ZrO2 و الکترولیت یکسان بدون پرکننده نشان داده شده است. آشکار است که هدایت الکترولیت همراه با پرکننده در گستره دمایی مورد نظر بسیار بالاتر است[2].

filereader.php?p1=main_1fc384a79adb53d30
شکل 2- نمودار هدایت آرنیوس

بهبود بازده باتری‌های لیتیم یون شاخته شده از الکترولیت پلیمری محتوی نانوپرکننده در شکل 3 نمایش داده شده است. در این نمودار پیل‌های محتوی الکترولیت PEO20LiClO4 همراه با نانوپرکننده و بدون نانوپرکننده مقایسه شده است. در این مقایسه به وضوح مشخص است که باتری‌های بهینه شده نانوکامپوزیت پلی اتیلن اکسید ظرفیت چرخه‌ای بالاتر، کاهش ظرفیت چرخه‌ای پایین‌تر، افزایش تعداد چرخه‌های باتری و به طور جزئی پایداری بیشتر بازده شارژ و دشارژ را نمایش می‌دهند. به این نوع از الکترولیت ها الکترولیت های پلیمری پلی نیز گفته می شود [3].

filereader.php?p1=main_5dd42fa1de26bb596
شکل 3- نمودار ظرفیت در مقابل تعداد چرخه‌های شارژ و دشارژ در حضور و عدم حضور نانو مواد

4- الکترولیت پلیمرهای بلوری:
مطالعات اخیر نشان داده است که نمک‌هایی مانند LiX که (X=P, As, Sb)، در پلیمرهای جامد مانند پلی (اتیلن اکسید) حل شده و تشکیل کمپلکس‌های بلوری می‌دهند که توانایی هدایت یون های لیتیم را دارا می‌باشد. در ابتدا برای مدت 25 سال تصور می‌شد که الکترولیت‌های پلیمری بلوری نارسانا هستند و هدایت تنها در پلیمرهای آمورف و در بالای دمای انتقال شیشه‌ای (Glass Transition Temperature) رخ می‌دهد. چنین تصوری باعث شد که کمتر به این نوع الکترولیت‌ها توجه شود و الکترولیت های شرح داده شده در بخش قبل گسترش یابند.
کمپلکس های بلوری از 6 اتم اکسیژن اتری (Ether) به ازای هر اتم لیتیم ساخته شده‌اند. به عنوان مثال پلی (اتیلن اکسید) :LiX )که (X=P, As, Sb دارای یک ساختار بلوری است که زنجیره پل (اتیلن اکسید) تشکیل تونلی را می‌دهد که یون های لیتیم می‌توانند درون آن مهاجرت نمایند. شکل 4 ساختار شماتیک این نوع پلیمرها را نمایش می دهد. در این شکل یون های لیتیم با کره های کوچک آبی نمایش داده شده است.

filereader.php?p1=main_e65ad80820989cbd3
شکل 4- ساختار PEO6:LiAsF6

استفاده از پلی اتیلن اکسید زنجیره کوتاه و در محدوده اندازه نانومواد جهت جلوگیری از گیر افتادن زنجیره‌های پلیمری ضروری است. در واقع اگر از پلیمرهای در خارج از گستره نانو استفاده شود، زنجیره‌ها در هم گیر کرده و مانع از بلوری شدن مناسب می‌شوند. از دیگر برتری‌های مشاهده شده در استفاده از نانو مواد، افزایش قابل توجهی در هدایت الکترولیت است. به طوری که کاهش طول زنجیره‌ها از متوسط با واحدهای 44 تایی اتیلن اکسید (جرم مولی تقریبا 2000 و متوسط طول زنجیره تقریبا 90A) به واحدهای 22 تایی اتیلن اکسید (جرم مولکولی 1000 و متوسط طول زنجیره 45A) هدایت در دمای اتاق را تا سه مرتبه بزرگی افزایش می‌دهد که این مطلب را به وضوح در شکل 5 می‌توان مشاهده نمود. در شکل هدایت با نماد σ در شکل نمایش داده شده است.

filereader.php?p1=main_4892bc6becf388d52
شکل 5- هدایت ایزوترم به عنوان تابعی از جرم مولکولی

نه تنها کنترل طول متوسط زنجیره در محدوده نانو مواد مهم است، دیسپرسیتی میزان پخش بودن (Dispersity) نیز اهمیت خاص خود را دارد. طول زنجیره‌های Polydisperse به طور طبیعی در مرحله انتشار در فرایند پلیمریزاسیون حاصل می‌شود. پلیمرها با زنجیره‌های Polydisperse هدایت بالاتری را نسبت به مواد Monodisperse فراهم می‌نماند. در شکل 6 هدایت یونی کمپلکس های Monodisperse و Polydisperse نمایش داده شده است[4]. به این نوع الکترولیت ها الکترولیت های پلیمری نوع خشک نیز گفته می شود.

filereader.php?p1=main_6e7c787b28fe719c9
شکل 6-هدایت یونی کمپلکس کریستالی PEO6-LiPF6منو-(مربع باز) و پلی دیسپرس PEO(دایره بسته)

5- بحث و نتیجه گیری:
از مهمترین بخش های باتری های لیتیم یون الکترولیت آن می باشد و تحقیقات زیادی جهت بهبود عملکرد آن انجام شده است. نسل اول باتری های لیتیم یون دارای الکترولیت های مایع بودند. الکترولیت های مایع علاوه بر نمک لیتیم و حلال شامل مجموعه ای مواد مختلف دیگر نیز بودند که هر کدام وظیفه خاص خود را به عهده دارند و تحت عنوان افزودنی های الکترولیت در بحث های قبلی توضیح داده شدند. با وجود اینکه الکترولیت های مایع عملکرد نسبتا مناسبی داشتند اما روند تحقیقات گسترده منجر به ساخت الکترولیت های پلیمری گردید که به نوبه خود دارای ویژگی های بهتری از جمله بازده بالاتر و تعداد چرخه بیشتر نسبت به الکترولیت های مایع بودند. از مهمترین برتری های باتری های پلیمری می توان به کاهش احتمال تراوش الکترولیت به بیرون، افزایش مقاومت در برابر آتشگیری و در نتیجه افزایش ایمنی نام برد. همچنین طراحی و ساخت باتری های پلیمری بسیار ساده تر از باتری های با الکترولیت مایع می باشد. از دیگری برتری های باتری های پلیمری کاهش تراوش مواد الکترود ها به درون الکترولیت به دلیل ضربه یا لرزش می باشد. در مجموع برتری های ذکر شده موجب گردیده نسل جدید باتری های لیتیمی تجاری تماما از نوع پلیمیری باشند. استفاده از نانومواد به عنوان پرکننده و یا فرایندهای تولید پلیمرهای نانویی موجب بهبود قابل ملاحضه ای در کارایی این ترکیبات شده است.

منابـــع و مراجــــع

1. Bhattacharyya, A.J. and J. Maier, Second Phase Effects on the Conductivity of Non‐Aqueous Salt Solutions:“Soggy Sand Electrolytes”. Advanced Materials, 2004. 16(9‐10): p. 811-814.

2. Croce, F., L. Settimi, and B. Scrosati, Superacid ZrO2 added, composite polymer electrolytes with improved transport properties. Electrochemistry Communications, 2006. 8(2): p. 364-368.

3. Yoshio, M., R.J. Brodd, and A. Kozawa, Lithium-ion batteries: science and technologies2009: Springer.

4. Bruce, P.G., B. Scrosati, and J.M. Tarascon, Nanomaterials for rechargeable lithium batteries. Angewandte Chemie International Edition, 2008. 47(16): p. 2930-2946.

نظرات و سوالات

نظرات

3 -2

فرشاد عرب مارکده

به نظرم فقط نتیجه گیریش یکم ارزش خوندن داشت. بقیه اش ترجمه ی محض بود.