‌ افزایش ظرفیت و طول عمر باتری‌های لیتیم-هوا با نانوچندسازه MnFe2O4/C به‌عنوان کاتالیست و مایع یونی [C2mim][BF4] به‌عنوان الکترولیت

پژوهش های کاربردی در شیمی

مقاله 8، دوره 13، شماره 3، آذر 1398، صفحه 89-103   

نوع مقاله: پژوهشی

نویسندگان

مهدی حسینی^* ؛ ناصر جلیلی جهانی

استادیار شیمی تجزیه، گروه شیمی، دانشکده علوم پایه، دانشگاه آیت‌الله العظمی بروجردی، بروجرد، ایران

چکیده

امروزه باتری‌های قابل باردارشدن لیتیم-هوا در وسایل با قابلیت ذخیره انرژی کاربرد گسترده‌ای پیداکرده‌اند. به‌منظور افزایش کارایی و طول عمر این نوع باتری‌ها، استفاده از کاتالیست و الکترولیت، امری ضروری است. بنابراین، کاتالیستی از جنس فلز-اکسید فلزات واسطه بر پایه کربن MnFe₂O₄/C در ساخت کاتد باتری استفاده‌شده است. به‌منظور افزایش ایمنی، طول عمر و ظرفیت باردارشدن- بی‌بارشدن باتری، از مایع یونی 1-اتیل-3-متیل ایمیدازولیم تترافلوئوروبورات [C₂mim][BF₄] به‌عنوان الکترولیت استفاده‌شده است. ویژگی‌های کاتالیست به کمک روش‌های طیف‌سنجی فروسرخ تبدیل فوریه (FTIR)، تجزیه وزن‌سنجی گرمایی (TGA)، پراش پرتو ایکس (XRD) و میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) بررسی شد. نتایج نشان داد که کاتالیست ساختاری همگن دارد و میانگین اندازه ذره‌های آن 30 نانومتر است. کاتالیست در ابعاد نانو و الکترولیت یونی با رسانایی بالا سبب شده که ظرفیت بی‌بارشدن باتری با و بدون کاتالیست به ترتیب برابر با 2360 و mAh g^-1 815 در چگالی جریان 1/0 میلی‌آمپر/سانتی‌متر باشد. در چگالی جریان 2/0 میلی‌آمپر/سانتی‌متر، ظرفیت بی‌بارشدن برای باتری با و بدون کاتالیست به ترتیب برابر با 710 و mAh g^-1  535 به‌دست آمد. افزایش تعداد چرخه‌های باردارشدن-بی‌بارشدن در حضور کاتالیست (بیش از 1000 بار) نسبت به باتری بدون کاتالیست (بیشتر 3 بار) نشان‌دهنده کارایی کاتالیست مورداستفاده است. به دلیل پایداری گرمایی الکترولیت یونی، طول عمر باتری حدود 2 برابر نسبت به باتری با الکترولیت آلی معمول بیشتر است. کاهش تفاوت پتانسیل بین فرایندهای باردار و بی‌بارشدن نیز یکی از مزیت‌های باتری ساخته‌شده است. نتایج نشان داد که کاتالیست MnFe₂O₄/C، سبب افزایش قابل‌توجهی در ظرفیت بی‌بارشدن باتری شده است.

کلیدواژه‌ها

باتری لیتیم-هوا؛ کاتالیست MnFe2O4/C؛ الکترولیت مایع یونی [C2mim][BF4]؛ افزایش کارایی

مراجع

[1] Hosseini, M.; Soleymani, M.; Dashti-Khavidaki, H.; Iran. J. Anal. Chem. 6, 54–62, 2019.
[2] Kumar-Thapa, A.; Ishihara, T.; J. Power Sources 196, 7016–7020, 2011.
[3] Abraham, K.M.; Jiang, Z.; J. Electrochem. Soc. 143, 7016-7020, 1996.
[4] Read, J.; Mutolo, K.; Ervin, M.; Behl, W.; Wolfenstine, J.; Driedger, A.; Foster, D.; J. Electrochem. Soc. 150, A1351-A1356, 2003.
[5] Elia, G.A.; Hassoun, J.; Kwak, W.J.; Sun, Y.K.; Scrosati, B.; Mueller, F.; Bresser, D.; Passerini, S.; Oberhumer, P.; Tsiouvaras, N.; Reiter, J.; Nano Lett. 14, 6572-6577, 2014.
[6] Hosseini, M.; Dalali, N.; Moghaddasifar, S.; J. Anal. Chem. 69, 1141–1146, 2014.
[7] Hosseini, M.; Dalali, D.; Sep. Sci. Technol. 49, 1889–1894, 2014.
[8] Kuboki, T.; Okuyama, T.; Ohsaki, T.; Takami, N.; J. Power Sources 146, 766–769, 2005.
[9] Yang, W.; Salim, J.; Ma, C.; Ma, Z.; Sun, C.; Li, J.; Chen, L.; Kim, Y.; Electrochem. Commun. 28, 13–16, 2013.
[10] Lu, J.; Chem. Rev. 114, 5611-5640, 2014.
[11] Kraytsberg, A.; Ein-Eli, Y.; J. Power Sources 196, 886-893, 2011.
[12] Lu, Y.C.; Xu, Z.C.; Gasteiger, A.; Chen, S.; Kimberly, H.S.; Yang, S.H.; J. Am. Chem. Soc. 132, 12170-12178, 2010.
[13] Lin, X.; Zhou, L.; Huang, T.; Yu, A.; Int. J. Electrochem. Sci. 7, 9550–9559, 2012.
[14] Jin, L.; Xu, L.P.; Morein, C.; Chen, C.H.; Lai, M.; Dharmarathna, S.; Dobley, A.; Suib, S.L.; Adv. Funct. Mater. 20, 3373-3380, 2010.
[15] Lu, Y.C.; Gasteiger, H.A.; Shao-Horn, Y.; J. Am. Chem. Soc. 133 (47), 19048–19051, 2011.
[16] Cheng, H.; Scott, K.; Applied Catalysis B: Environm. 108, 140-151, 2011.
[17] Li, S.; Sun, C.; Chen, L.; Goodenough, J.B.; Kim, Y.; J. Mater. Chem. 22, 18902-18907, 2012.
[18] Zhang, Y.; Li, X.; Zhang, M.; Liao, S.; Dong, P.; Xiao, J.; Zhang, Y.; Zeng, X.; Ceramics Inter. 43 (16), 14082-14089, 2017.
[19] Fu, Z.H.; Lin, X.J.; Huang, T.; Yu, A.S.; J. Solid State Electrochem. 16, 1447-1453, 2012.
[20] Feng, N.; Mu, X.; Zheng, M.; Wang, C.; Lin, Z.; Zhang, X.; Shi, Y.; He, P.; Zhou, H.; Nanotechnol. 27(36), 365402-365410, 2016.
[21] Wu, M.C.; Zhao, T.S.; Tan, P.; Jiang, H.R.; Zhu, X.B.; Electrochim. Acta. 211, 545–551, 2016.
[22] Yin, J.; Li, Y.; Lv, F.; Fan, Q.; Zhao, Y.Q.; Zhang, Q.; Wang, W.; Cheng, F.; Xi, p.; Guo, S.; ACS Nano 11 (2), 2275–2283, 2017.
[23] Cui, Y.M.; Wen, Z.Y.; Liu, Y.; Energ. Environ. Sci. 4, 4727-4731, 2011.
[24] Zhao, G.; Zhang, L.; Wang, B.; Sun, K.; Electrochim. Acta. 184, 117-123, 2015.
[25] Sener, T.; Kayhan, E.; Metin, O.; Sevim, M.; J. Power Sources 288, 36-41, 2015.
[26] Zhang, J.; Chen, G.; An, M.; Wang, P.; Inter. J. Electrochem. Sci. 7, 11957–11965, 2012.
[27] Yang, W.; Salim, J.; Li, S.; Sun, C.; Chen, L.; Goodenough, J.B.; Kim, Y.; J. Mater. Chem. 22, 18902–18907, 2012.
[28] Yang, W.; Salim, J.; Ma, C.; Ma, Z.; Sun, C.; Li, J.; Chen, L.; Kim, Y.; Electrochem. Communications 28, 13–16, 2013.
[29] Kuboki, T.; Okuyama, T.; Ohsaki, Y.; Takami, N.; J. Power Sources 146, 2766-769, 2005.
[30] Grande, L.; Paillard E.; Kim, G. T.; Monoco, S.; Inter. J. Molecular Sci. 15, 8122-8137, 2014.
[31] Hosseini, M.; Dalali, N.; Mohammad Nejad S.; J. Chin. Che. Soc. 59, 872-878, 2012.
[32] Peng, B.; Xu, Y.; Wang, X.; Shi, X.; Mulder, F.M.; Sci. China-Phys. Mech. Astron. 60 (6), 64611-64618, 2017.
[33] Pacaldo, R.S.; Aydın, M.; Sivacioglu, A.; Aspects of Appl. Bio. 112; 131-138, 2011.
[34] Altincekica, T.G.; Boza, I.; Baykal, A.; Kazan, S.; Topkaya, R.; Toprak, M.S.; J. Alloys and Compounds 493, 493–498, 2010.
[35] Rahmani, Ar.; Karimi, G.R.; Rahmani, Ab.; Hosseini, M.; Rahmani, As.; Desalination Water Treat., 89, 250–257, 2017.
[36] Agouriane, E.; Rabi, B.; Essoumhi, A.; Razouk, A.; Sahlaoui, M.; Costa, B.F.O.; Sajieddine, M.; J. Mater. Environment Sci. 7, 4116-4120, 2016.
[37] Park, C.S.; Kim, K.S.; Park, Y.J.; J. Power Sources 244, 72-79, 2013.
[38] Lim, S.H.; Kim, B.K.; Yoon, W.Y.; J. Appl. Electrochem. 42, 1045–1048, 2012.
[39] Lin, X.; Zhou, L.; Huang, T.; Yu, A.; Int. J. Electrochem. Sci. 7, 9550–9559, 2012.