سنتز و اصلاح ساختار اكسيد نيكل منگنز كبالت ليتيوم (NMC-532) با استفاده از دوپ همزمان يون‌هاي فلوئور و تيتانيوم جهت كاربرد در كاتد باتري‌هاي ليتيوم-يون

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي مواد

كارشناسي ارشد

در اين پژوهش، به بررسي يكي از انواع مرسوم كاتدهاي باتري هاي ليتيوم يوني و ايمن¬ترين نوع آن‌ها از نظر كاركرد در آزمايشگاه يعني NMC532 (LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2) پرداخته مي‌شود. در اولين بخش از پژوهش، ابتدا فرايند ساخت نمونه پايه با استفاده از روش حالت جامد صورت گرفت. دراين جهت پارامترهاي زمان و دماي مربوط به ساخت كاتد با توجه به پژوهش هاي پيشين انتخاب شدند و آزمايش‌ها جهت بهينه سازي اين پارامترها صورت پذيرفت. نتايج بهينه سازي دما و زمان نشان داد جهت ساخت كاتد NMC پايه، دماي 950 درجه سانتي‌گراد و زمان 24 ساعت باعث مي‌شود هيچ گونه فاز آمورفي داخل نمونه وجود نداشته باشد و جدايش پيك‌هاي دوتايي كه به منزله حضور ساختار لايه‌اي و بلنددامنه بودن آن است در الگوي پراش پرتو ايكس (XRD) مشخص شود. در ادامه، نمونه‌هاي حاوي دوپانت تيتانيوم و فلوئور با سه درصد مولي 1، 3 و 5 در حالت تكي و همزمان به نمونه پايه اضافه شدند و الگوهاي پراش پرتو ايكس آن‌ها مورد ارزيابي قرار گرفت كه نشان داد هيچ‌گونه فاز ناخالصي در داخل نمونه به وجود نيامده است. حضور ذرات فلوئور و تيتانيوم در داخل ساختار كاتد، موجب شد تا پيك‌هاي پراش پرتو ايكس مربوط به نمونه‌ها جابه‌جا شده و به همين منظور تحليل كمي بر روي نمونه‌ها صورت پذيرفت تا پارامترهاي شبكه براي هر نمونه مورد ارزيابي قرارگيرد. در بررسي‌هاي انجام شده مشخص شد افزودن تيتانيوم به صورت تكي موجب افزايش خطي حجم ساختار مي‌گردد. افزودن فلوئور نيز به ساختار موجب افزايش حجم شده ولي با توجه به حد حلاليت فلوئور در ساختار، روند افزايش حجم در 3 و 5 درصد تقريبا به صورت ثابت مشاهده شد. در اثر افزودن همزمان فلوئور و تيتانيوم، در 3 درصد تيتانيوم و 3 و 5 درصد فلوئور رفتار غيرخطي نشان داده شد كه ممكن است يك بهينه سازي احتمالي در ساختار را نشان دهد. در بررسي ميكروكرنش‌هاي به وجود آمده در ساختار كه با نرم افزار MAUD صورت گرفت، مشخص شد كه با 3% تيتانيوم كمترين ميزان ميكروكرنش در ساختار به وجود آمده و همچنين اين مورد نيز در 1% فلوئور رخ داد. در بررسي نمونه‌هاي دوپ همزمان نيز مشاهده شد كه در اكثر نمونه‌ها ميكروكرنش از نمونه پايه كمتر بوده است. در بررسي‌هاي ميكروسكوپ الكتروني روبشي (SEM) مشخص شد كه در اثر انجام فرايند آسياكاري ذرات مورد استفاده كوچك¬تر شده و مورفولوژي ذرات عمدتاً به كروي تغيير يافت. در ذرات آسياكاري شده تجمع شديد ذرات مشاهده شد، به اين معنا كه اتصالات بين ذرات بسيار قوي‌تري نسبت به مواد اوليه ايجاد شده است. در بررسي نمونه‌هاي سنتز شده نيز مشاهده شد كه توزيع عناصر در داخل نمونه‌ها به خوبي انجام شده و هيچ‌گونه ناخالصي در نمونه‌ها مشاهده نشد. آزمون طيف سنجي فوتوالكترون اشعه ايكس (XPS) بر روي نمونه‌ها صورت پذيرفت كه در آن مشاهده شد نيكل در ساختار با دو ظرفيت Ni2+ و Ni3+ حضور داشته و تغييرات جزئي در شدت قله‌ها ناشي از پيوندهايي بوده است كه در اثر افزودن تيتانيوم و فلوئور به وجود آمده است. منگنز و كبالت نيز بيشترين ميزان پايداري را در اثر افزودن تيتانيوم و فلوئور از خود نشان دادند. همچنين در اين آزمون حضور فلوئور و تيتانيوم در ساختار مورد تاييد قرار گرفت. در بخش بعدي عملكرد الكتروشيميايي شامل ظرفيت ويژه اوليه، ميزان پايداري و قابليت نرخ¬پذيري نمونه‌ها مورد ارزيابي قرار گرفت. ظرفيت ويژه اوليه براي نمونه پايه برابر با mAh/g 162 اندازه‌گيري شد كه پس از پنج چرخه به mAh/g48 كاهش يافت. با افزودن تيتانيوم و فلوئور به‌صورت جداگانه به ساختار، ظرفيت ويژه اوليه هر يك از نمونه‌ها كمتر از مقدار مربوط به نمونه پايه بود، هرچند ميزان نگهداري ظرفيت در چرخه‌هاي بعدي مشابه نمونه پايه باقي ماند. در ميان اين نمونه‌ها، تركيب‌هاي 3Ti و 3F رفتار بهينه‌تري نشان دادند و ظرفيت‌هاي اوليه آن‌ها به‌ترتيب mAh/g 99 و mAh/g 106 به دست آمد. در حالت دوپ همزمان، نمونه 3Ti3F به‌عنوان تركيب بهينه شناخته شد؛ به‌طوري كه ظرفيت ويژه اوليه آن mAh/g 144 بود كه نزديك به مقدار نمونه پايه است، اما ميزان نگهداري ظرفيت آن پس از پنج چرخه به mAh/g 80 رسيد كه نسبت به ساير نمونه‌ها عملكرد بسيار مطلوب‌تري را نشان داد. بررسي رفتار امپدانس الكتروشيميايي نمونه‌ها نيز نشان داد در اثر افزودن تيتانيوم و فلوئور در ساختار، اختلالي در عملكرد و نفوذ ذرات در ساختار كاتد رخ نداده و نفوذ در نمونه‌ها به خوبي انجام شد. با استفاده از نمودارهاي امپدانس الكتروشيميايي نمونه‌ها، ضريب نفوذ يون ليتيوم در داخل ساختار كاتد نيز مورد ارزيابي قرار گرفت كه مشخص شد در نمونه 3Ti3F ضريب نفوذ نمونه نسبت به نمونه پايه 4 برابر بهتر بوده است كه اين نمونه به عنوان نمونه بهينه انتخاب شد.

236056

خوردگي و حفاظت از فلزات

مهندسي مواد

دانشگاه صنعتي اصفهان