تهیه و بررسی توانایی نانوکاتالیست بسپاری رسانا بر پایه کبالت-آهن (PPy/Co/Fe) به منظور افزایش و بهبود کارایی کاتد در باتریی های لیتیم-هوا

پژوهش های کاربردی در شیمی

مقاله 3، دوره 14، شماره 1، خرداد 1399، صفحه 15-25   

نوع مقاله: پژوهشی

نویسندگان

مهدی حسینی¹؛ نادره دولتشاهی²؛ موسی سلیمانی^{* 3}؛ قاسم اسکوئیان⁴

¹استادیار شیمی تجزیه، گروه شیمی، دانشکده علوم پایه، دانشگاه آیت الله بروجردی، بروجرد، ایران

²دانشجوی کارشناسی ارشد، گروه شیمی، دانشکده علوم پایه، دانشگاه آیت الله بروجردی، بروجرد، ایران

³استادیار شیمی آلی، گروه شیمی، دانشکده علوم پایه، دانشگاه آیت الله بروجردی، بروجرد، ایران

⁴پژوهشگر دانشکده شیمی، مجتمع دانشگاهی شیمی و مهندسی شیمی، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران

چکیده

امروزه کاربرد باتری‌های قابل شارژ لیتیم-هوا در وسایل با توانایی ذخیره انرژی به‎طور گسترده‌ای مورد توجه قرارگرفته است. برای افزایش کارایی و طول عمر این نوع باتری‌ها، راه‌های متفاوتی وجود دارد که از آن میان می‌توان به کاتالیست و نیز الکترولیت مناسب اشاره کرد. در این پژوهش، نانوکاتالسیت پلی‌پیرول/کبالت/آهن PPy/Co/Fe برای به‎کارگیری در باتری لیتیم-هوا به روش تر یا رسوب‌دهی شیمیایی تهیه و با روش‌های طیف‌سنجی فروسرخ تبدیل فوریه (FTIR)، رامان (Raman)، پراش پرتو ایکس (XRD) و میکروسکوپی الکترونی روبشی (SEM) شناسایی شد. نتیجه‌ها نشان داد که این نانوکاتالیست با اندازه ذرات حدود nm 35 با موفقیت تهیه شده است. به منظور بررسی اثر نانوکاتالیستی، باتری مورد نظر ساخته و نتیجه‌ها نشان داد که توان باتری در حضور نانوکاتالیست بسیار بیشتر از باتری بدون کاتالیست است. همچنین، باتری حاوی نانوکاتالیست دارای ذخیره انرژی بیشتری نسبت به باتری بدون کاتالیست بود. نتیجه‌ها به‌دست آمده از ولتامتری چرخه‎ای CV حاکی از این است که نانوکاتالیست PPy/Co/Fe در کاتد رفتار برگشت‌پذیری باتری را به مقدار زیادی نسبت به باتری بدون کاتالیست افزایش می‌دهد. وجود کربن سیاه در ساختار نانوکاتالیست نیز سبب افزایش مقدار ظرفیت باتری می‌شود زیرا باعث بهبود رفتار کاتالیستی و در نهایت، منجر به افزایش ظرفیت و بازده باتری می‌شود. در یک دور معمول از فرایند شارژ-دشارژ، مشخص شد که فرایند دشارژ در مدت زمان بیشتری رخ می‌دهد که این نشان‌دهنده بالابودن مقدار طول عمر نگهداری انرژی است.

کلیدواژه‌ها

باتری‌های لیتیم-هوا؛ نانوکاتالیست بسپاری رسانا PPy/Co/Fe؛ افزایش کارایی باتری

مراجع

[1]    Hosseini, M.; Soleymani, M.; Dashti-Khavidaki, H.; Iran. J. Anal. Chem. 6, 54-62, 2019.
[2]    Abraham, K.; Jiang, Z; J. Electrochem. Soc. 143, 1-5, 1996.
[3]    Shen, P.K.; Wang, C.Y.; Jiang, S.P.; Zhang, J.; Sun, X., Electrochemical Energy: Advanced Materials and Technologies, CRC Press, 2016.
[4]    Bruce, P.G.; Freunberger, S.A.; Hardwick, L.J.; Tarascon, J.M.; Nat. Mater. 11, 19-29, 2012.
[5]    Christensen, J.; Albertus, P.; Sanchez-Carrera, R.S.; Lohmann, T.; Kozinsky, B.; Liedtke, R.; Ahmed, J.; Kojic, A.; J. Electrochem. Soc. 159, R1-R30, 2011.
[6]    Girishkumar, G.; McCloskey, B.; Luntz, A.C.; Swanson, S.; Wilcke, W.; J. Phys. Chem. Lett. 1, 2193-2203, 2010.
[7]    Kraytsberg, A.; Ein-Eli, Y.; J. Power Sources. 196, 886-893, 2011.
[8]    Brandt, K.; Solid State Ion. 69, 173-183, 1994.
[9]    Freunberger, S.A.; Chen, Y.; Drewett, N.E.; Hardwick, L.J.; Bardé, F.; Bruce, P.G.; Angew. Chem. Int. Edit. 50, 8609-8613, 2011.
[10]     Freunberger, S.A.; Chen, Y.; Peng, Z.; Griffin, J.M.; Hardwick, L.J.; Bardé, F.; Novak, P.; Bruce, P.G.; J. Am. Chem. Soc. 133, 8040-8047, 2011.
[11]     Tran, C.; Yang, X.Q.; Qu, D.; J. Power Sources. 195, 2057-2063, 2010.
[12]     Williford, R.E.; Zhang, J.G.; J. Power Sources. 194, 1164-1170, 2009.
[13]     Beattie, S.; Manolescu, D.; Blair, S.; J. Electrochem. Soc. 156, A44-A47, 2009.
[14]     Ren, X.; Zhang, S.S.; Tran, D.T.; Read, J.; J. Mater. Chem. 21, 10118-10125, 2011.
[15]     Débart, A.; Paterson, A.J.; Bao, J.; Bruce, P.G.; Angew. Chem. Int. Edit. 47, 4521-4524, 2008.
[16]     Lu, Y. C.; Gasteiger, H.A.; Parent, M.C.; Chiloyan, V.; Shao-Horn, Y.; Electrochem. Solid S.T. 13 A69-A72, 2010.
[17]     Débart, A.; Bao, J.; Armstrong, G.; Bruce, P.G.; J. Power Sources 174, 1177-1182, 2007.
[18]     Xiao, J.; Wang, D.; Xu, W.; Wang, D.; Williford, R.E.; Liu, J.; Zhang, J.-G.; J. Electrochem. Soc. 157, A487-A492, 2010.
[19]     Zhang, G.; Zheng, J.; Liang, R.; Zhang, C.; Wang, B.; Hendrickson, M.A.; Plichta, E.; J. Electrochem. Soc. 157, A953-A956, 2010.
[20]     Yang, X.-h.; He, P.; Xia, Y.-Y.; Electrochem. Commun. 11, 1127-1130, 2009.
[21]     Mitchell, R.R.; Gallant, B.M.; Thompson, C.V.; Shao-Horn, Y.; Energy Environ. Sci. 4, 2952-2958, 2011.
[22]     Li, Y.; Wang, J.; Li, X.; Liu, J.; Geng, D.; Yang, J.; Li, R.; Sun, X.; Electrochem. Commun. 13, 668-672, 2011.
[23]     Yang, Y.; Sun, Q.; Li, Y.-S.; Li, H.; Fu, Z. W.; J. Electrochem. Soc. 158, B1211-B1216, 2011.
[24]     Xiao, J.; Mei, D.; Li, X.; Xu, W.; Wang, D.; Graff, G.L.; Bennett, W.D.; Nie, Z.; Saraf, L.V.; Aksay, I.A.; Nano lett. 11, 5071-5078, 2011.
[25]     Crisostomo, V.M.B.; Ngala, J.K.; Alia, S.; Dobley, A.; Morein, C.; Chen, C.H.; Shen, X.; Suib, S.L.; Chem. Mater. 19, 1832-1839, 2007.
[26]     Ogasawara, T.; Débart, A.; Holzapfel, M.; Novák, P.; Bruce, P.G.; J. Am. Chem. Soc. 128, 1390-1393, 2006.
[27]     Zhang, D.; Fu, Z.; Wei, Z.; Huang, T.; Yu, A.; J. Electrochem. Soc. 157, A362-A365, 2010.
[28]     Wang, L.; Zhao, X.; Lu, Y.; Xu, M.; Zhang, D.; Ruoff, R.S.; Stevenson, K.J.; Goodenough, J.B.; J. Electrochem. Soc. 158, A1379-A1382, 2011.
[29]     Ngala, J.K.; Alia, S.; Dobley, A.; Crisostomo, V.M.B.; Suib, S.L.; Chem. Mater. 19, 229-234, 2007.
[30]     Cui, Y.; Wen, Z.; Liu, Y.; Energy Environ. Sci. 4, 4727-4734, 2011.
[31]     Lu, Y.C.; Xu, Z.; Gasteiger, H.A.; Chen, S.; Hamad-Schifferli, K.; Shao-Horn, Y.; J. Am. Chem. Soc. 132, 12170-12171, 2010.
[32]     Lee, S.; Zhu, S.; Milleville, C.C.; Lee, C.-Y.; Chen, P.; Takeuchi, K.J.; Takeuchi, E.S.; Marschilok, A.C.; Electrochemcal and Solid State Letters 13 (11), A162-A164, 2010.
[33]     Thapa, A.K.; Saimen, K.; Ishihara, T.; Electrochem. Solid ST. 13, A165-A167, 2010.
[34]    Resta, I.M.; Selles, J.M.; Lanus-Mendez-Elizalde, M.; Antonel, P.S.; Molina, F.V.; Polym. Compos. 39 (12), 4617-4627, 2018.
[35]     Peng, B.; Xu, Y.; Wang, X.; Shi, X.; Mulder, F.M.; Sci. China-Phys. Mech. Astron. 60, 64611-64618, 2017.
[36]     *
*  حسینی، م.، جلیلی-جهانی، ن.، پژوهش‌های کاربردی در شیمی، شماره 3، 89-103، 1398.
[37]     Chitte, H.K.; Bhat,  N.V.; Walunj, V.E.; Shinde, G.N.; J. Sens. Technol. 1, 47-56, 2011.
[38]     Liu, Q.; Zhu, J.; Tan, L.;  Jing, X.; Liu, J.; Song, D.; Zhang, H.; Li, R.; Emelchenko, G.A.;  Wang, J.; Dalton Trans. 45, 9166-9173, 2016.
[39]     Resta, I.M.; Selles, J. M.; Lanus-Mendez-Elizalde, M.; Antonel, P.S.; Molina, F.V.; Polym. Compos. 39, 4617-4627, 2017.
[40]     Gill, N.; Sharma, A.L.; Gupta, V.; Tomar, M.; Sing, D.P.; J. Alloys Compd. 797, 1190-1197, 2019.
[41]     Ma, Z.; Yuan, X.; Li, L.; Ma, Z.F.; Wilkinson, D.P.; Zhang, L.; Zhang, J.; Energy Environ. Sci. 8, 2144-2198, 2015.