سنتز و توصیف کامپوزیت پلیمر رسانا (Pan/TiO2) - مواد کاتدی موجود در باتری قابل شارژ
این مقاله به تهیه و توصیف کامپوزیت پلی آنیلین / TiO₂با کمک طیف XRD-UV-VIS ، TGA/DTA و FTIR می پردازد. این کامپوزیت بعنوان ماده کاتدی برای باتری قابل شارژ متشکل از ظرف زینک بعنوان آند، استات سلولز بعنوان جداکننده ، سولفات پلی وینیل و متیل سلولز کربوکسی بعنوان الکترولیت های پلیمر جامد (SPE) استفاده میشود. با استفاده از کامپوزیت Pan / TiO₂ بعنوان ماده کاتدی ، باتری قابل شارژ استوانه ای نوع AA ساخته شده و خروجی زیر مشاهده شد: ولتاژ مدار باز (OCV) 1.4 ولت است؛ جریان نیز 250 میلی آمپر تا 1.0 آمپر است ؛ سیکل های شارژ 50 ؛ تراکم قدرت 350 آمپر ساعت / کیلوگرم و بازده انرژی نیز 70 درصد است.
پلیمرهای رسانا بطور کلی مواد نیمه رسانا با شکاف باند گسترده ای هستند که می توانند ازلحاظ شیمیایی دوپ شوند و درنتیجه ، خواص الکترونیکی آنها از عایق بندی به خواص فلزی رسیده است. برخی از پلیمرهایی که دارای این خواص هستند برای استفاده در برنامه های شیمیایی الکتریکی تجاری و مدرن همچون مواد باتری، دستگاه های الکترواپتیک ، پوشش الکترود و حسگرها تولید میشوند. یکی از مهمترین کاربردهای ذخیره انرژی در پلیمر رسانا ، استفاده از آن بعنوان ماده کاتدی برای باتری های قابل شارژ از نظر دوپینگ برگشت پذیر است. باتری های پلیمری به دلیل خواص منحصر به فرد مانند تشکیل آسان فیلم نازک ، قابلیت پردازش، وزن سبک ، کشش و غیره نقش مهمی در پژوهش ها در زمینه تولید باتری های جدید با چگالی انرژی بالا ایفا می کنند. همچنین ثابت شده است که باتری های پلیمری حالت جامد جایگزین های مناسبی برای سیستم های باتری ثانویۀ کلاسیک هستند. پلی آنیلین به دلیل داشتن خواصی من جمله پایدار بودن در هوا و داشتن رسانایی بالا در شرایط محیطی، یکی از امیدوارکننده ترین مواد برای دستگاه های ذخیره شارژ الکتروشیمیایی مانند باتری های سبک وزن و سوپر خازن ها است. همچنین به دلیل ادامه پروتوناسیون ، در شرایط اسیدی دارای خروجی چگالی انرژی بسیار بالایی است ؛ بنابراین همیشه در شرایط شارژ قرار دارد.
دی سرویل و همکارانش در مطالعات گسترده نشان داده اند که از فرم های نامشخص پلی آنیلین میتوان بعنوان کاتد و آند در باتری قابل شارژ در H₂SO₂ آبی 6Nاستفاده کرد. همچنین کیتانی و همکاران نیز استفاده از پلی آنیلین بعنوان ماده کاتدی در باتری های قابل شارژ در یک الکترولیت آبی ZnCI2 یا ZnSO4 را همراه با آند Zn پیشنهاد کردند. علاوه براین ، تسوتسومی و همکاران نیز گزارش دادند که کامپوزیت PANi-PSS میتواند بعنوان ماده فعال مثبت برای باتری لتیوم قابل شارژ استفاده شود. از پلی آنیلین نیز بعنوان ماده کاتدی در باتری های قابل شارژ در الکترولیت های آبی استفاده میشود. لی و همکاران نیز به این نتیجه رسیدند که از پلی آنیلین و کامپوزیت نافیون میتوان بعنوان مادۀ باتری قابل شارژ استفاده کرد. ازطرفی ، بعنوان ماده الکترود برای باتری ذخیرۀ منیزیوم نیز قابل استفاده است. در بررسی اخیر استفاده از مواد پلیمری رسانای سنتزشده با الکتروشیمیایی که در دستگاه های الکترونیک ، آپتوالکترونیک و ذخیره انرژی همانند خازن و باتری های قابل شارژ استفاده میشوند را شرح دادیم. علاوه براین ، معتقد هستیم که 80.6 درصد از Tio2 کلوئیدی در ماتریس پلی آنیلین و کامپوزیت PAn/TiO2 دارای ثبات حرارتی بیش از 265 درجه سانتیگراد است. البته زمانی که پلی آنیلین بعنوان ماده کاتدی استفاده شود، سیکل های قابل شارژ کمتری در باتری پلیمری وجود دارد. برای افزایش این سیکل ها، بایستی به شکل کامپوزیت با اکسیدهای رسانای شفاف (TCO) عمل کند. برای دستیابی به سطح مطلوب از ترکیب TCO در ماتریس پلی آنیلین، بهترین ماده کاتدی برای باتری قابل شارژ بدست آمده است. در اینجا، مقادیر مختلف TiO2 در ماتریس پلی آنیلین گنجانده شده و با استفاده از پلیمریزاسیون اکسیداتیو کامپوزیت PAn/TiO2 را تشکیل می دهد. کامپوزیت های بدست آمده با تکنیک های فیزیکوشیمیایی مشخص میشوند و خواص الکتروشیمیایی ماده نیز تعیین میشود. با استفاده از این کامپوزیت ها بعنوان ماده کاتدی ، باتری قایب شارژ استوانه ای (AA) نیز ساخته میشود. هدف ما از این بررسی ارائه گزارش اولیه درمورد استفاده از پلی آنیلین / کامپوزیت TiO2بعنوان ماده کاتدی مناسب برای کاربرد باتری است.
تعیین خواص
براساس شکل زیر طیف منعکس کنندۀ پراکندگی پلی آنیلین ، TiO₂ ، کامپوزیت PAn/TiO₂ حاوی مقادیر مختلفی TiO₂ پودرهای پلی آنیلین دپروتون شده و تهیه شده در محیط اسید سولفوسالسیلیک (SSA) است.
شکل 1: طیف منعکس کنندۀ پراکندگی پلی آنیلین (PAn) /SSA ، Pan / TiO₂ (1:6) ، Pan / TiO₂ (1:3) ، Pan / TiO₂ (1:2) ، Pan / TiO₂ (1:1.5) ، PAn دوپ نشده و TiO₂
رنگ سبز تیرۀ پلی آنیلین نشان دهندۀ پیک های 440 و 650 نانومتر است؛ در حالی که طیف الکترونیکی کامپوزیت Pan / TiO₂ احتمالآ به دلیل تشکیل کامپوزیت جدید باندهایی را در 440 و 640-710 نانومتر نشان میدهد. پراش اشعه ایکس در پلی آنیلین خالص ، کامپوزیت های Pan / TiO₂ و پلی آنیلین دپروتون شده نیز در شکل زیر ارائه شده اند.
شکل 2: الگوی پراش اشعه ایکس در پلی آنیلین ، Pan / TiO₂ (1:6) ، Pan / TiO₂ (1:3) ، Pan / TiO₂ (1:2) ، Pan / TiO₂ (1:1.5) ، Pan / TiO₂ (1:1.4) ، پلی آنیلین دوپ نشده و TiO₂
براساس دادۀ پراش اشعه ایکس میتوان استنباط کرد که پارامترهای شبکه ای از پلی آنیلین ، TiO₂ و پلی آنیلین تخلیه شده با مقادیر گزارش شده مطابقت دارند. الگوهای این پراش نشان دهندۀ رخداد ساختار اورتورومبیک در پلی آنلین خالص و همچنین تتراگونال در TiO₂ هستند. طبق الگوهای پراش اشعه ایکس در Pan / TiO₂ ، انعکاس جدیدی در میزان 2θ در 48 درجه سلسیوس با افزودن به فضاهای d در TiO₂ و پلی آنیلین مشاهده شده است. منحنی های معمولی ترموگرام (TG) در پودر TiO₂، پلی آنیلین و کامپوزیت PAn/TiO₂ در شکل زیر ارائه شده است که براساس آنها میتوان گفت که هیدراسیون مواد از 80 تا 100 درجه سلسیوس اتفاق می افتد و پس از آن فلاتی بالاتر از 245 درجه سلسیوس وجود دارد.
شکل 3: TGA در TiO₂ ، Pan / SSA ، Pan / TiO₂ (1:6) ، Pan / TiO₂ (1:3)
کسری 28 درصدی بین دمای 245 تا 305 درجه سلسیوس همراه با پیک اگزوترمیک به دلیل دوپانت ها اتفاق افتاد. تجزیه پلی آنیلین از دمای 305 درجه شروع میشود. باندها در 2343 سانتیمتر به مقاومت O-H، 1581 سانتیمتر به بنزوئید - کینوئید نیتروژن، 1474 سانتیمتر به مقاومت N-H ، 1124 سانتیمتر به باند C-H ، 1022 سانتیمتر به SO₃ ، 803 سانتیمتر به خارج از صفحه C-H و 667 سانتیمتر به مقاومت Ti-Oرسیده اند.
بررسی رسانایی
پلت های پلی آنیلین ، Pan / استیلن بلک ، کامپوزیت PAn/TiO₂ و کامپوزیت PAn/TiO₂ استیلن بلک تهیه شده و میزان رسانایی چهار پروب نیز اندازه گیری شد. به منظور بهبود ظرفیت حمل جریان یک کامپوزیت، استیلن بلک اضافه شد.
بررسی کاربرد باتری
سیستم باتری پلیمری رسانا با پیکربندی سلول خشک (نوع لکلانشه) که میتواند با قابلیت چرخش بیش از 50 دور تخلیه شود، انتخاب بهتری است. از خواص ردوکس پلیمرهای رسانا در دستگاه های ذخیره شارژ مانند سوپر خازن و باتری ها استفاده شده است. سلول لکلانشه برگشت ناپذیر است و بنابراین قابلیت شارژ مجدد ندارد. میدان الکترومغناطیسی در این سیستم بیشتر از 1.6 ولت است، اما پتانسیل کاتد همان عملکرد Ph است. این مقدار در تخلیه مداوم به سرعت کاهش می یابد؛ در حالی که در سلول های ثانویه مانند باتری سرب (باتری اسید سرب) ، فرایندهای الکترود برگشت پذیر هستند و سلول براساس پیش الکترولیز محلول آبی H₂SO₄ با سولفات سرب بین الکترودهای سرب اشباع شد.
مزایای انتقال باتری کامپوزیت پلیمری
مونتاژ باتری سلول خشک با پایه Pan / TiO₂ نسبت به باتری های ذکر شده دارای مزیت هایی من جمله داشتن حداقل 50 دور شارژ مجدد ، وزن کمتر از 25 درصد و هزینه تولید کم هستند. خواص I-V (ولتامتری چرخه ای) در TiO₂ ، پلی آنیلین و کامپوزیت پلی آنیلین / TiO₂ را گزارش کرده ایم. براساس شکل زیر، خواص شارژ- تخلیه کامپوزیت پلی آنیلین/TiO₂ نیز بعنوان ماده کاتدی که در ظرف زینک بعنوان آند با جریان ثابت 8 میلی آمپر مونتاژ میشود.
شکل 4: خواص شارژ- تخلیه کامپوزیت پلی آنیلین/ TiO₂در جریان مداوم
علاوه براین ، براساس ظرفیت تخلیه بعنوان عملکرد چرخه ها که در شکل زیر ارائه شده است، میتوان نتیجه گرفت که تا 50 سیکل کسر ظرفیت وجود ندارد و پس از آن نیز، ظرفیت کاهش می یابد ؛ ممکن است به دلیل تجزیه پلیمر رسانا در طی فرایند شارژ- تخلیه باشد.
شکل 5: ظرفیت بعنوان عملکرد سیکل ها
براساس پارامترهای الکتروشیمیایی ارائه شده در جدول زیر میتوان گفت که چرخه های شارژ مجدد در کامپوزیت Pan / TiO₂ بعنوان ماده کاتدی نسبت به پلی آنیلین افزایش می یابد.
جدول 1: پارامتر الکتروشیمیایی برای کاربرد باتری
براساس جدول زیر، این را میتوان به این واقعیت نسبت داد که اکسید رسانای شفاف TiO₂ نقش چندگانه ای در واکنش های تخلیه - شارژ ایفا کرده و همچنین بعنوان ماده اکسید کننده نیز عمل می کند.
جدول 2: خلاصه ای از خواص باتری قابل شارژ در کامپوزیت پلیمر رسانا
براساس این مطالعه میتوان گفت که کامپوزیت پلیمر رسانا دارای خواص تخلیه - شارژ 50 دور بیشتر از پلیمر رسانا است و همچنین قابلیت انعطاف پذیری بهتری دارد. تحقیقات بیشتری درمورد کارکرد باتری در کامپوزیت های ذکر شده در بالا بطور روزافزونی در حال پیشرفت است.
