ساخت جداکننده های پوشش داده شدۀ پلیمری و کاربرد آنها در باتریهای Li-O2
باتری های Li-O2 غیر آبی به دلیل داشتن تراکم بالایی از انرژی نظری، بعنوان گزینه ای با پتانسیل بالقوه برای نسل بعدی از باتری ها محسوب میشوند. با این حال، به علت وجود مشکلات فراوان همچنان در مراحل ابتدایی هستند. در این مطالعه به بررسی یک شبکه پلیمری هادی تک یونی متقاطع که با یک گروه آنیونی کاملآ مقدماتی غشای جداکنندۀ پلی اتیلن تجاری نازک ازطریق روش پلیمریزاسیون UV آسان پوشانده شده است، پرداخته شده است. این پوشش پلیمری ترشوندگی الکترولیت ها را بهبود بخشیده و انتشار گونه های آنیونی را ازطریق جداکننده سرکوب می کند. اثرات اصلاح پلیمر جداکننده بر خواص الکتروشیمیایی سلولهای Li-O2 غیرآبی نیز مورد بررسی قرار گرفته است.
تقاضای برای دستگاه های ذخیره انرژی با چگالی بالا به دلیل کاربردشان در وسایل نقلیه الکتریکی، پهپاد و سامانه های خودگردان زیرآبی به سرعت در حال افزایش است. باتریهای Li-O2 غیر آبی به دلیل انرژی خاص نظری بسیار زیاد، در مقایسه با باتری های لیتیم یونی، بعنوان گزینه های بالقوه برای باتری های نسل بعدی بیشتر مورد توجه هستند. با این حال، انرژی خاص عملی و عملکرد چرخشی گزارش شده از پیشرفته ترین باتری های Li-O2 غیرآبی در مقایسه با باتری های لیتیوم یونی موجود در بازار همچنان ضعیف هستند. باتری های Li-O2 غیرآبی از آنود فلز لیتیم، لایه الکترولیت و کاتود کربن متخلخل تشکیل شده اند. در طی فرایندهای شارژ / تخلیه، پراکسید لیتیم بصورت الکتروشیمیایی به روش کاتود کربن ازطریق این واکنش کلی متخلخل رسوب / تجزیه میشود:
با این حال، این نوع باتری ها در طی فرایند شارژ به دلیل عایق طبیعیِ Li2O2 با واکنشهای جانبی نامطلوب و پتانسیل بیش از حد درگیر هستند. برای حل این مسئله، واسطه های اکسایش - کاهش که اکسیداسیون Li2O2 را ازطریق انتقال الکترون بین Li2O2 و سطح کاتود تسهیل می کنند، بعنوان کاتالیزورهای محلول برای واکنش تکامل اکسیژن قویآ مورد بررسی قرار گرفته اند. همچنین RM های محلول برای واکنش کاهش اکسیژن درطول فرایند تخلیه نیز توسعه یافته اند؛ اگرچه با کاهش پتانسیل بیش از حد باعث کاهش بازدهی انرژی در واکنش کاتود میشوند، اما کراس اور RM از کاتود به آنود باعث ایجاد واکنشهای نامطلوب فلز لیتیم و مصرف RM ها میشود. برای جلوگیری از واکنش شاتل، ارائه یک لایۀ محافظتی بین کاتود و آنود بررسی شده است. الکترولیت های جامد رسانای لیتیم اغلب بعنوان لایه محافظ برای جداسازی کامل آتود و آنود استفاده شده اند که طراحی جداگانۀ الکترولیت های کاتود و آنود را امکان پذیر می کند. با این حال، هر دو چگالی انرژی گرانشی و حجمی در سلولهای Li-O2 غیرآبی به دلیل اختلاط یک لایه الکترولیت جامد اضافی ضخیم و سنگین به شدت در خطر هستند. اخیرآ یافته های بدست آمده از یک مطالعه اساسی توسط ژو و همکاران نشان داد که یک غشای نفیوم لیتیم رسانای تک یونی بعنوان جداکنندۀ سلولهای Li-O2 غیرآبی میتواند مانع از کراس اور RM ها بین کاتود و آنود شود. با این حال، غشای نفیون ضخیم ممکن است اثر مخربی بر تراکم انرژی سلولی در سلول های Li-O2 غیرآبی داشته باشد.
بنابراین، یک روش پوششی آسان برایجاد کنندۀ غشای پلی اتیلن نازک تجاری با شبکۀ پلیمری SIC را ارائه می دهیم. در ادامه با استفاده از جداکنندۀ توسعه یافته، خواص فیزیکی بنیادی در جداکنندۀ روکش شده، علاوه بر عملکردهای الکتروشیمیایی سلولهای Li-O2 غیرآبی را مورد بررسی قرار می دهیم. STFSILi ازطریق کوپلیمریزاسیون اشعه ماوراء بنفش با دیاکریلات پلی (اتیلن گلیکول) اصلاح میشود که از شبکۀ پلیمر SIC با اتصالات عرضی با گروههای آنیونی آویز ساخته شده است. باتوجه به ساختار موضعی آنیون STFSILi ، میتوان تفکیک بالای کاتیونهای لیتیوم در شبکه پلیمر را پیش بینی کرد. همچنین چندین موارد از تغییر غشاهای متخلخل با پلیمرهای آنیونی همچون PEDOT و نفیون نیز گزارش شده است. باتوجه به اطلاعات ما، این اولین گزارش است که اصلاح سطح جداکنندۀ تجاری با شبکۀ پلی آنیون ترکیبی STFSILi را در باتریهای Li-O2 توصیف می کند. خواص اساسی جداکنندۀ پوشش داده شده با پلیمر با اسپکتروسکوپی FT-IR، اندازه گیری زاویه تماس و آزمایشات جذب الکترولیت مشخص میشوند. علاوه براین، اثربخشی پوشش شبکۀ پلیمری آنیونی در انتشار گونه های آنیونی در جداکننده بصورت کمّی ارزیابی میشود. در نهایت، خواص الکتروشیمیایی و عملکرد چرخشی سلولهای Li-O2 غیرآبی براساس جداکننده های پوشش داده شده با پلیمر بررسی شده اند.
در اینجا، توسعه یک روش اصلاح آسان برای جداکنندۀ غشاء پلی اتیلن تجاری را با استفاده از یک شبکه پلیمری CIS با اتصالات متقاطع مورد بحث قرار می دهیم. یک اتصال دهنده متقاطع که PEGDA است؛ و یک مونومر آنیونی موضعی که STFSILi است، به منظور اصلاح سطح جداکنندۀ PE ازطریق پلیمریزاسیون اشعه ماوراء بنفش بکار گرفته شده اند؛ جایی که از راه حلهای پیش ساز مختلفی برای مقایسه استفاده شد. خواص بنیادی جداکنندۀ پوشش داده شده با PEGDA - STFSILi با FT-IR، اندازه گیری های زاویه تماس و آزمایشات نفوذ مشخص شده اند. با انجام اصلاحات ازطریق شبکه پلیمری CIS با اتصالات متقاطع، ترشوندگی الکترولیت جداکننده افزایش یافت؛ در حالیکه انتشار گونه های آنیونی در جداکننده فشرده شد. جداکننده های اصلاح شده در باتریهای Li-O2 غیرآبی بکار رفته و عملکردهای سلول نیز با آزمایشات شارژ/ تخلیه و EIS ارزیابی شدند. با افزایش میزان تغییر، عملکرد چرخشی کاهش می یابد؛ شاید به این دلیل که هدایت یون لیتیوم نیز کاهش می یابد. از طرفی، جداکنندۀ پوشش داده شده با PEGDA - STFSILi بدست آمده از راه حل پیش ساز 0.05M نشان دهندۀ پتانسیل بیش از حد در تخلیۀ بهبود یافته است. اگرچه عملکرد چرخشی سلولهای Li-O2 غیرآبی را با کمک جداکنندۀ اصلاح شده مان بهبود ندادیم، اما معتقدیم که بهینه سازی پوشش پلیمری SIC باعث بهبود عملکرد چرخشی میشود. بنابراین، این مطالعه تکنیک جدیدی برای اصلاح آسان خواص سطحی در جداکننده های تجاری همچون ترشوندگی الکترولیت جداکننده و انتشار آنیون را ارائه میدهد.
