الکترولیت پلیمر در باتری های قابل شارژ

دسته: مقالات منتشر شده در 26 مهر 1400
نوشته شده توسط Admin بازدید: 722

توسعه الکترولیت پلیمر زیست تخریب پذیر در باتری های قابل شارژ

امکان تولید الکترولیت پلیمری زیست تخریب پذیر با پایه پلی کاپرولاکتون (PCL) با غلظت های مختلف LiCIO₄ مورد بررسی قرار گرفته است. حداکثر رسانایی یونی بدست آمده در دمای اتاق برای PCL کمپلکس با 100 درصد وزنی LiCIO₄، 10-6×1.2 بود. در این مخلوط، تجزیه بیولوژیکی کامل پس از 110 روز رخ داد و به وجود گروه های استر در ماتریس پلیمر نسبت داده شد. پایداری الکتروشیمیایی تقریبآ 5 ولت نشان داد که الکترولیت PCL/LiCIO₄ از خواص الکتروشیمیایی مهمی برخوردار است که می تواند در تولید باتری های قابل شارژ با اثرات محیطی کمتر نقش مهمی ایفا کند.

 

انتظار می رود صنعت باتری بعنوان یک صنعت مهم با افزایش رایانه، لپ تاپ، تجهیزات مخابراتی، ابزارهای بی سیم و سایر دستگاه های الکتریکی قابل حمل به رشد خود ادامه دهد. باتری ها حاوی حجم زیادی از مواد سمی و خطرناک هستند که این مواد بایستی در چرخه محیطی مدیریت شوند تا آسیب های کمتری به محیط زیست و سلامت جانداران وارد شود. هیدرید متال نیکل، باتری های لیتیوم یون و لیتیوم پلیمر را میتوان بعنوان رایج ترین پیل های ثانویه در بازار مصرف فعلی نام برد؛ در حالی که باتری های نیکل- کادمیوم به تدریج از چرخه مصرف خارج می شوند. البته ناگفته نماند که منابع ذخایر انرژی در صنعت، بیمارستان ها، بنادر هوایی و دیگر موارد مشابه از این قاعده مستثنی هستند؛ چرا که همچنان به باتری های نیکل- کادمیوم نیاز دارند. باتری های لیتیوم یونی تجاری فعلی از الکترولیت های مایع استفاده می کنند که اشتعال پذیری بالایی دارند. بنابراین، باید از پوشش فلزی برای جلوگیری از نشت احتمالی استفاده کرد. این مسئله در الکترولیت های پلیمری جامد که محفظه فویل لمینت برای آنها بی خطر است، وجود ندارد. در اصل، باتری های الکترولیت پلیمری با لمینت یک آنود متال لیتیوم (یا کربن کامپوزیت)، یک غشای رسانایی یون لیتیوم (الکترولیت پلیمر) و یک کاتود کامپوزیتی در ساختار ساندویچ تشکیل می شوند. اقدامات بسیاری با جدیت در زمینه توسعه مواد مختلف صورت گرفته است و استفاده از مواد "آگاه" به محیط زیست و یا "اکومتریال" در فرایند تولید می تواند به کاهش اثرات زیست محیطی بسیاری از محصولات در تمام چرخه ها کمک کند. با این حال، الکترولیت های پلیمری که ممکن است خطرات زیست محیطی به همراه داشته باشند، کمتر موردتوجه قرار گرفته اند. در این مقاله، اولین گزارش سیستم یونی را بر مبنای یک پلیمر زیست تخریب پذیر به نام پلی کاپرولاکتون (PCL) با غلظت های مختلف LiCIO₄ ارائه می دهیم. PCL به دلیل تخریب قابل توجه اش در محیط های آبی و در تماس با میکروارگانیسم ها، یکی از امیدوار کننده ترین پلیمرهای زیست تخریب پذیر محسوب می شود. در اینجا، ما امکان توسعه یک الکترولیت پلیمری زیست تخریب پذیر (BPE) را فراهم می کنیم که می تواند باعث تجزیه باتری ها شده و در نتیجه اثرات محیطی زیانبار را کاهش دهد.

 

فیلم های تشکیل شده توسط محلول LiCIO₄، PCL و تتراهیدروفوران (THF) علاوه بر انعطاف پذیری و همگن بودن، خود محافظ بودند. رفتار حرارتی PCL خالص زیست تخریب پذیر و PCL حاوی 2، 6، 10 و 12 درصد وزنی LiCIO₄ در شکل زیر ارائه شده است.

 

شکل 1:

 Differential scanning calorimetry curves for poly caprolactone

 

PCL یک فاز انتقال در 65 درجه سلسیوس را نشان داد که به دمای انتقال شیشه (Tg) نسبت داده شد. همچنین یک فرایند ذوب بین 40-66 درجه سلسیوس داشت که با Tm=55.7 درجه سلسیوس وجود یک فاز کریستالی را نشان می داد. کاهش Tm از 5.56 تا 3.48 درجه سلسیوس در حضور نمک شواهدی از پیچیدگی یونی ارائه می دهد که باعث کاهش درجه تبلور و در نتیجه، افزایش فاز آمورف می شود. از آنجا که سازگاری یونی در فاز آمورف رخ داد، این واقعیت بسیار ضروری بود. یک پلیمر با Tg پایین گزینه مناسبی برای ترکیب با نمک ها به منظور تشکیل الکترولیت های پلیمری محسوب می شود. در Tg پایین، خواص فیزیکی مانند ویسکوزیته، انتشار و ایجاد حساسیت به دما کاهش می یابد؛ در حالی که در Tg بالا، حرکت مقطعی زنجیره پلیمری افزایش می یابد. در PCL، افزایش غلظت نمک باعث افزایش مقادیر Tg شده که در نتیجه منجر به کاهش حرکت مقطعی زنجیره پلیمری و همچنین کاهش هدایت یونی می شود. در شکل زیر نمودارهای امپدانس PCL با غلظت های مختلف LiCIO₄ در دمای اتاق ارائه شده است.

 

شکل 2:

 ac impedance spectrum a and ionic conductivity b of a stainless

 

در غلظت نمک کم، نیم دایرۀ مربوط به امپدانس الکترولیت پلیمر (Z) مشاهده می شود؛ مقاومت فله از طیف امپدانس تعیین می شود که در آن قوس فرکانس پایین را قطع می کند. با افزایش غلطت نمک، این قوس از حالت نیم دایره خارج شده و مقاومت آن کاهش یافته و درنتیجه، رسانایی یونی را افزایش می دهد. منحنی رسانایی یونیبا حداکثر رسانایی 10-6×1.2 در 10 درصد وزنی LiCIO₄ در آزمایشات انجام شده در دمای اتاق مشاهده شده است؛ این میزان افزایش را میتوان با افزایش غلظت حامل بار درصورت اضافه شدن نمک به پلیمر دنبال کرد و پس از آن هدایت یونی کاهش می یابد. کاهش هدایت یونی با افزایش غلظت نمک را می توان به سه پدیدۀ مرتبط نسبت داد: 1. افزایش سفتی ماکرو مولکولی در فاز آمورف به دلیل غلظت بالای نمک که بعنوان عامل شبکه در ماتریس پلیمری عمل می کند؛ 2. افزایش غیر خطی در تعداد حامل های بار بعنوان تابعی از غلظت نمک، به نفع ظاهر جفت های یون؛ و 3. ظاهر فاز کریستالی متشکل از کمپلکس نمک- پلیمر. این کمپلکس نشان دهندۀ پنجره پایداری تقریبآ 5 ولت است که با رسوب لیتیوم شبه برگشت پذیر محدود شده بود. پیک وسیع کاتودی بین 1 و 0 ولت به کاهش نمک نسبت داده شد. محدودیت آنودی مربوط به یونیزاسیون و به دنبال آن تجزیه احتمالی پلیمر بود. نتایج حاصل از تجزیه بیولوژیکی با استفاده از خاک شبیه سازی شده کاهش جرم توسط نمونه های حاوی LiCIO₄ را نشان می دهد و تجزیه کلی در حدود 110 روز اتفاق افتاد. اگرچه PCL یک پلیمر زیست تخریب پذیر است، اما در شرایط مورد استفاده تا 140 روز کاهش وزن قابل ملاحظه ای ندارد. ازطرفی، نمونه های حاوی LiCIO₄ پس از 110 روز بطور کامل تجزیه می شوند. فتومیکروگراف های نوری تغییر مورفولوژی فیلم ها را در طی فرایند تجزیه بیولوژیکی نشان می دهند؛ که میتوان فاکتوری در تجزیه نمونه های حاوی نمک لیتیوم و در نتیجه، کاهش وزن دانست. این رفتار با افزایش فاز آمورف بعنوان تابع افزودن نمک مرتبط است. این نتایج حاصل از تجزیه بیولوژیکی با تحلیل حرارتی مطابقت دارند زیرا با افزودن نمک، جهت حرکت زنجیره های پلیمری تغییر کرده و در نهایت تجزیه بیولوژیکی تسریع می شود.

نتیجه گیری

نتایج حاصل از این مقاله را میتوان امکان تولید یک الکترولیت پلیمر زیست تخریب پذیر نام برد. فیلم های PCL/LiCIO₄ خود محافظ، انعطاف پذیری و ظاهرآ همگن هستند. حداکثر رسانایی یونی بدست آمده در دمای اتاق 10-6×1.2 برای کمپلکس PCL با 10 درصد وزنی LiCIO₄ بود. در این مخلوط، تجزیه بیولوژیکی کامل پس از 110روز رخ داد و به وجود گروه های استر در ماتریس پلیمری نسبت داده شد. این گروه ها از هیدرولیز و برش فیلم ها در کمپوست خاک قلیایی حاصل می شوند. پایداری الکتروشیمیایی تقریبآ 5 ولت نشان داد که الکترولیت PCL/LiCIO₄ دارای خواص الکتروشیمیایی مهمی است که میتواند در تولید باتری های قابل شارژ با اثرات زیست محیطی کمتر مناسب باشد. با این حال، رسانایی یونی تعیین شده در دمای محیط همچنان پایین است. برخی از تغییرات مانند افرودن پلاستیک سازها و جایگزینی LiCIO₄ با نمک ایمن تر دیگری ممکن است کاربردهای عملی مناسب تری به همراه داشته باشد.