شماره ركورد
24912
شماره راهنما
NANO2 121
عنوان
تهيه ماده فعال كاتدي باتري ليتيم گوگرد براساس نانوساختارهاي كربني
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
مهندسي مواد - سراميك
دانشكده
شيمي
تاريخ دفاع
11/11/1402
صفحه شمار
81 ص.
استاد راهنما
محسن خسروي
كليدواژه فارسي
باتري ليتيم گوگرد، پلي سولفيد، اثر شاتل، كربن نيتريد
چكيده فارسي
باتريهاي ليتيم-گوگرد به دليل چگالي انرژي بالا و هزينه كم ماده فعال كاتدي، گزينه مناسبي براي جايگزيني باتريهاي ليتيم-يون هستند. با اين حال، پديده شاتل يكي از مهمترين چالشهاي تجاريسازي اين باتريها محسوب ميشود. پديده شاتل موجب كاهش ظرفيت عملي، راندمان كولومبي و چرخهپذيري پايين در اين باتريها ميگردد. بنابراين، استفاده از طراحي منطقي مواد كاتدي و بينلايهاي براي بهبود هدايت الكتريكي گوگرد و جلوگيري از خروج بيرويه پليسولفيدها، امري حياتي است. در اين پژوهش، براي غلبه بر چالشهاي پيشروي باتريهاي ليتيم-گوگرد، از مواد متنوعي مانند كربن فعال (AC)، كربن نيتريد متخلخل (g-C3N4)، بور نيتريد هگزاگونال (BN)، موليبدن ديسولفيد (MoS2)، كاربيد بور (B4C) و گرافيت به عنوان مواد كاتدي و بينلايهاي استفاده شده است. ابتدا، با روش انتشار مذاب پيشرفته، گوگرد به طور يكنواخت در ساختار كربن فعال پخش شد و از اين تركيب به عنوان پايه ثابت براي ساخت باتريهاي مختلف استفاده گرديد. براي تأييد اختلاط مناسب گوگرد و كربن فعال، از آزمونهاي مشخصهيابي مانند وزنسنجي حرارتي، پراش پرتو ايكس و ميكروسكوپ الكتروني روبشي نشر ميداني (FESEM) بهره گرفته شد. در ادامه، با اعمال پوششدهي ساده گرافيت بر روي جداكننده و موليبدن ديسولفيد بر روي ماده كاتدي، به عنوان مواد بينلايهاي، عملكرد باتريها بهبود يافت. همچنين، استفاده از گرافيت به عنوان ماده بينلايه آندي نيز مورد بررسي قرار گرفت. در اين راستا، باترياي با كاتد گوگرد/كربن فعال و جداكننده گرافيتي، ظرفيت ويژه 795.5 ميليآمپرساعت بر گرم در چرخه اول و 540.2 ميليآمپرساعت بر گرم پس از 20 چرخه شارژ-دشارژ را نشان داد. همچنين، با استفاده از كربن نيتريد متخلخل، ساختهشده از ملامين و اسيد سيانوريك به عنوان منابع نيتروژن و كربن، به عنوان ماده كاتدي همراه با گوگرد و كربن فعال، ظرفيت ويژه 1034 ميليآمپرساعت بر گرم در چرخه دوم دشارژ به دست آمد كه بيانگر تأثير مثبت اين ماده است. در نهايت، ساير مواد ساختهشده مانند موليبدن ديسولفيد، كاربيد بور و بور نيتريد نيز ارزيابي و با يكديگر مقايسه شدند. نتايج اين مطالعه نشان ميدهد كه طراحي هوشمندانه مواد كاتدي و بينلايهاي ميتواند به بهبود چشمگير عملكرد باتريهاي ليتيم-گوگرد كمك نموده و موانع تجاريسازي اين باتريها را تا حد زيادي برطرف كند.
كليدواژه لاتين
Lithium sulfur battery, Polysulfide, Shuttle effect, carbon nitride
عنوان لاتين
Preparation of cathode active material for lithium sulfur batteries base on carbon nanostructures
گروه آموزشي
نانو فناوري
چكيده لاتين
Lithium-sulfur batteries are a promising alternative to lithium-ion batteries due to their high theoretical energy density and low-cost active cathode materials. However, the shuttle phenomenon is considered one of the major challenges in the commercialization of these batteries. The shuttle effect leads to a reduction in practical capacity, Coulombic efficiency, and poor cycle life in these batteries. Therefore, the use of rational design of cathode and interlayer materials to improve the electrical conductivity of sulfur and prevent the excessive leaching of polysulfides is crucial. In this study, to overcome the challenges facing lithium-sulfur batteries, a variety of materials such as activated carbon (AC), porous g-C3N4, hexagonal boron nitride (h-BN), molybdenum disulfide (MoS2), boron carbide (B4C), and graphite were used as cathode and interlayer materials. First, sulfur was uniformly dispersed in the structure of activated carbon using an advanced melt-diffusion method, and this composite was used as a stable base for the fabrication of various batteries. Characterization techniques such as thermogravimetric analysis, X-ray diffraction, and field-emission scanning electron microscopy (FESEM) were employed to confirm the proper mixing of sulfur and activated carbon. Furthermore, by simply coating graphite on the separator and molybdenum disulfide on the cathode material as interlayer materials, the performance of the batteries was improved. The use of graphite as an anode interlayer material was also investigated. In this regard, a battery with a sulfur/activated carbon cathode and a graphite separator exhibited a specific capacity of 795.5 mAh g−1 in the first cycle and 540.2 mAh g−1 after 20 charge-discharge cycles. Additionally, the use of porous g-C3N4, synthesized from melamine and cyanuric acid as nitrogen and carbon sources, as a cathode material along with sulfur and activated carbon, resulted in a specific capacity of 1034 mAh g−1 in the second discharge cycle, demonstrating the positive effect of this material. Finally, other synthesized materials such as molybdenum disulfide, boron carbide, and boron nitride were also evaluated and compared with each other. The results of this study indicate that the rational design of cathode and interlayer materials can significantly improve the performance of lithium-sulfur batteries and largely overcome the commercialization barriers of these batteries.
تعداد فصل ها
3
فهرست مطالب pdf
141649
نويسنده