یک پلیمر رسانا از مغز گردو

ساختار سلسله مراتبی سه بعدی مغز گردو؛ یک پلیمر رسانا بعنوان بایندر محلول در آب برای ساخت باتری لیتیوم یون

نانوساختارهای سلسله مراتبی حاوی کره‌ های سه‌ بعدی (3D) به دلیل خواص فیزیک وشیمیایی منحصر به ‌فردشان، مواد امیدوار کننده‌ ای محسوب می شوند. در این مطالعه، یک بایندر پلیمری سلسله مراتبی (CPB) مغز گردو به راحتی از طریق روش پلیمریزاسیون امولسیونی ساخته شده است. CPB خواص مفیدی را بعنوان یک چسب خوب برای کاتدهای LiFePO₄ و یک ماده رسانای کارآمد برای لیتیم در داخل کاتد اعمال کرده و یک مسیر آسان نیز برای حرکت یون فراهم می ‌کند. برخلاف بایندرهای تک بعدی (1D)، ساختار سلسله مراتبی سه ‌بعدی برهمکنش های پیوند چند بعدی خود را با مواد فعال و در نتیجه، تماس‌ های قوی بین هر دو جزء را نشان می‌دهد. هنگامی که ماده فعال تماس اولیه خود را با بایندر در چرخه بالقوه از دست می دهد، CPB می تواند با موفقیت شبکه سلسله مراتبی سه بعدی خود را بازیابی کند. با این حال، یک اثر خود ترمیمی ایجاد می کند. الکترود  LiFePO₄ بر پایه CPB در مقایسه با سایر بایندرهای معروف مانند پلی وینیلیدین فلوراید، عملکرد الکتروشیمیایی قابل‌ توجهی را از خود نشان می‌دهد.

با توجه به تقاضای بالا و روزافزون برای کوچک‌ سازی دستگاه‌ های پرتابل ذخیره‌ سازی انرژی (ESD)، اکنون فاکتورهایی همچون توسعه ذخیره ‌سازی انرژی کوچک و قابل اعتماد با چگالی انرژی بالا، دوام طولانی ‌مدت و ایمنی بالا ضروری است. اگرچه باتری‌ های لیتیم یونی  (LIBs) برای مدتی  ESD های تجاری غالب بوده‌ اند، به دلیل محدودیت بالقوۀ چگالی انرژی، نمی ‌توانند به اندازه کافی نیاز ذخیره‌ سازی طولانی‌ مدت را تامین کنند. محققان به طور گسترده دست به تحقیق و توسعه مواد فعال، جدا کننده‌ها و الکترولیت‌ ها با هدف افزایش چگالی انرژی زده اند. با این حال، کمتر به توسعه مواد کمکی جدید LIB، مانند بایندر، توجه شده است. در واقع، بایندر نقش مهمی در  LIB بازی می‌کند زیرا مواد فعال را به کالکتور فعلی متصل می‌کند. یک بایندر ایده‌آل باید از هزینه کم، پیوند قوی، پایداری فیزیکی و الکتروشیمیایی بالایی در الکترولیت برخوردار باشد. بایندرهای مورد استفاده د  LIB ها اکثرا از پلیمرهای مولکولی بالا ساخته می‌شوند که می ‌توان آنها را به دو دسته تقسیم کرد: بایندرهای حلال آلی و بایندرهای آبی. پلی وینیلیدین فلوراید (PVF) بعنوان یک ماده بایندر مبتنی بر حلال آلی، حتی اگر به دلیل نقص غیر رسانا و تغییر حجم زیاد در طول فرآیند درج/استخراج لیتیم، و همچنین تأثیر منفی آن بر محیط زیست و هزینه بالا خواص نامطلوبی در LiFePO₄ داشته باشد، باز هم به طور تجاری و به طور گسترده بعنوان چسب کاتدی استفاده شده است. برای پرداختن به این مسائل، توسعه بایندرهای محلول در آب برای من به حوزه جدیدی در حال رشد از فناوری LIB تبدیل شده است. کارهای اولیه روی بایندرها اساسا بر روی ژلاتین، پلی وینیل الکل (PVA)، سلولز کربوکسیل متیله (CMC)، لاستیک استایرن بوتادین (SBR)/CMC، پلی اتیلن اکسید (PEO)، کیتوزان و موارد دیگر تمرکز دارد. مواد  CMC توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند زیرا فضای جدیدی را برای فرآیندهای مبتنی بر آب با هدف ساخت الکترود LIB باز می‌کنند. اگرچه  CMC معمولاً همراه با  SBR برای به دست آوردن عملکرد بهتر سلولی استفاده می‌ شود و به دلیل ناپایداری الکتروشیمیایی آن، فقط می‌ توان از آن برای آماده‌ سازی الکترودهای منفی در جوی احیا کننده استفاده کرد. در توسعه انرژی و چگالی توان بالاتر LIB، انتخاب بایندر و خواص فیزیکوشیمیایی آن مهم است و بنابراین نباید بر عملکرد و دوام باتری کلی تأثیر بگذارد. بایندرهای غیر رسانای معمولی محلول در آب به دلیل متشکل بودن از گروه‌ های عملکردی غیر رسانای پلیمری و ساختار شیمیایی که اتصالات الکتریکی ضعیفی ایجاد می‌ کنند، از خواص عایق برخوردار هستند. با توجه به بخش اول از شکل زیر، مواد فعال در طول فرآیند چرخه شارژ - تخلیه دچار انبساط حجم شده و مواد افزودنی رسانا را از خود دور می کنند.

شکل 1:

بنابراین، علاوه بر قابلیت اتصال قوی، یک بایندر آبی عالی باید دارای رسانش الکترونیکی و یونی در سطح ذرات ماده فعال روی سطح الکترولیت باشد. مطالعات الگانت نشان داده‌اند که عملکرد الکتروشیمیایی LIB ها را می توان با طراحی دقیق بایندر بهبود بخشید. مطالعات عالی بر روی آنومرهای لیتیه i بعنوان بایندر نشان داده است که آنها به طور بالقوه می توانند مسیری را برای افزایش رسانش یونی و انتشار  لیتیم نشان دهند. لی و همکارانش از اسید پلی اکریلیک (PAA) بعنوان بایندر برای کاهش مقاومت بین فاز و انتقال بار کاتدهای  LiFePO₄ استفاده کرد. زو و همکارانش نیز یک کاتد  LiFePO₄ با شکل  لیتیم از یک یونومر پرفلوروسولفونات بعنوان یک بایندر برای جبران تخلیه الکترولیت از فضای متخلخل الکترود در حین تخلیه سریع تهیه کردند. با توجه به استحکام چسبندگی ضعیف پلی (پرفلوروآلکیل-سولفون) ایمید لیتیه (PFSILi)، PVDF برای جلوگیری از بلورینگی و افزایش چسبندگی بایندر کامپوزیت معرفی شد. سرعت انتقال  لیتیم در داخل مواد فعال و در فضای متخلخل الکترود، و همچنین رابط بین الکترود و الکترولیت، نقش اساسی در طول فرآیند چرخه شارژ-تخلیه ایفا می‌کند و حتی تا حدودی تعیین کننده عملکرد کلی باتری نیز است. با این حال، اشاره شده است که بیشتر یونومرهای رسانا دارای خواص چسبندگی نامناسبی هستند. بنابراین تعادل بین استحکام پیوند و رسانش نیاز به بررسی بیشتری دارد. به دلیل جابجایی بار منفی در پلیمر، آنیون در یک کوپلیمر بلوک پلی یونی بعنوان گروه آویز عملکردی در تهیه بایندرها برای LIB ها گنجانده شده است.

یک بایندر پلیمری رسانای سه بعدی سلسله مراتبی به شکل هسته گردو با -SO₃⁻ بعنوان یک بایندر آبی موثر از طریق پلیمریزاسیون امولسیونی تهیه شد. مشخص شد ساختار منحصر به فرد این CPB  به تماس‌های چند بعدی با مواد فعال و عوامل رسانا از طریق برهمکنش‌ های غیرکووالانسی یا کووالانسی کمک می ‌کند. گروه‌ های عملکردی نیتریل و اتر در CPB به بهبود برهمکنش بین مواد فعال و عوامل رسانا و همچنین اتصال مواد فعال روی کالکتور جریان آلومینیوم کمک کردند. همچنین اثبات شد که -SO₃⁻ معرفی‌ شده نقش مهمی در ارائه مسیر  لیتیم و کاهش مقاومت الکترونیکی در طول فرآیند چرخه شارژ-تخلیه دارد. ساختار سه بعدی سلسله مراتبی مغز گردو، کانال‌ های رسانای لیتیم، همراه با استحکام چسب برتر به ارائه عملکرد چرخه ای و سرعت آن در مقایسه با کاتدهای ساخته شده از بایندر PVDF کمک کرده است. علاوه براین، بایندر آبی جدید کم‌ هزینه و زیست سازگار بوده و به آسانی تهیه می‌ شود. بنابراین، این امکان وجود دارد که ماده  CPB بعنوان یک ماده جایگزین امیدوارکننده برای یک بایندر معمولی در ساخت LIB ها توصیه شود.