آلکالین فایبرگلاس مات PEO-PVA

دسته: مقالات منتشر شده در 24 مرداد 1400
نوشته شده توسط Admin بازدید: 768

الکترولیت پلیمری کامپوزیت آلکالین فایبرگلاس مات PEO-PVA برای باتری هوا-Zn  (زینک)

الکترولیت پلیمری کامپوزیت آلکالین فایبرگلاس ماتPEO-PVA از رسانایی یونی بالایی (10¯² ثانیه بر سانتیمتر مربع) برخوردار است که در دمای اتاق تهیه شده و در باتری های هوا-Zn اولیۀ حالت جامد اعمال میشود. الکترولیت مقاومت مکانیکی بسیار خوبی از خود نشان می دهد. خواص الکتروشیمیایی باتری ها بطور آزمایشی با استفاده از اسپکتروسکوپی امپدانس ac (جریان متناوب) و تخلیۀ گالوانوستاتیک بررسی شده است. نتایج بدست آمده نشان می دهد که این الکترولیت گزینۀ امیدوارکننده ای برای استفاده در باتری های اولیۀ هوا -Zn آلکالین است.

 

در سال های اخیر الکترولیت های پلیمر جامد (SPE) برای استفاده در بسیاری از دستگاه های الکتروشیمیایی مانند تلفن های همراه، فایل های اعتباری نازک و رایانه های لپ تاپ بسیار مورد توجه بوده اند. کمپلکس های پلیمری متشکل از اکسید پلی اتیلن (PEO)، پلاستیک سازها و نمک های فلز قلیایی که توسط رایت، آرماند و همکارانش کشف شده اند، بعنوان الکترولیت های پلیمری بدون حلال محسوب می شوند. اگرچه یک SPE با پایۀ PEO می تواند یک فیلم را با ابعاد پایدار تشکیل دهد، اما رسانایی آن در دمای محیط 10¯⁷-10¯⁸ ثانیه بر سانتیمتر مربع است. این میزان برای کاربرد در دستگاه های الکتروشیمیایی بسیار کم است. روش های مختلفی برای افزایش میزان رسانایی پیشنهاد شده است. هر دو ترکیب پلیمر یعنی پلیمرهای اصلاح شده با پلاستیک سازها و یا مخلوطی از حلال ها، و الکترولیت های ژل نیز بررسی شده اند. هدف اصلی این مطالعات دستیابی به فیلم هایی به کسری بالای فاز آمورف بوده است که رسانایی بسیار بالاتری نسبت به فاز کریستال نشان می دهد. برخی از تحقیقات بر الکترولیت هایی با پایۀ PEO همراه با نمک های لیتیوم و حلال های آلی متمرکز هستند. به نظر می رسد که سیستم لیتیوم پلیمر به دلیل کاربرد بالقوه اش در باتری های انرژی بالا بیشتر مورد توجه مطالعات باشد. تنها چند الکترولیت پلیمر جامد آلکالین براساس سیستم PEO-KOH بررسی شده اند. لواندوفسکی و همکارانش با کمک روش امپدانس ac و ولتامتری چرخه ای، سیستم الکترولیت پلیمری آلکالین پلی وینیل الکل PVA-KOH را بررسی کردند. به این نتیجه رسیدند که رسانایی یونی در المترولیت پلیمریِ PVA-KOH-H₂O از 10¯³-10¯⁴ ثانیه بر سانتیمتر مربع و همچنین Eₐ نیز 22-28 کیلوژول/ مول بود. در این مطالعه، آماده سازی و خواص الکترولیت پلیمر کامپوزیت آلکالین با پایۀ سیستم مت - فایبر- گلاس PEO-PVA را بیان می کنیم. در کل، این الکترولیت کامپوزیت را میتوان در تمام سیستم های باتری آلکالین به کار برد. برای مثال، این الکترولیت در سیستم باتری هیبریدی قابل شارژ مجددِ نیکل- فلز (Ni-MH) استفاده شده است و عملکرد الکتروشیمیایی بسیار خوبی را در شرایط چرخه ای با سرعت پایین تا متوسط از خود نشان می دهد. سلول اولیۀ هوا-Zn  برای مطالعۀ عملکرد الکترولیت پلیمر فایبرگلاس ماتPEO-PVA  کامپوزیت آلکالین انتخاب شده است. باتری های هوا -Zn در مقایسه با سایر باتری های آلکالین با پایۀ Zn از انرژی ویژۀ بالاتری برخوردار هستند؛ یعنی بیش از 200 وات ساعت / کیلوگرم. علت این کار را میتوان تأمین آزاد و نامحدود O₂ از هوای اتمسفر دانست که در سلول نمی گنجد. همچنین این باتری ها دارای مزایای بسیاری من جمله ولتاژ کاری بسیار بالا، تراکم ظرفیت بالاتر مستقل از دما و بار، زمان ذخیره سازی خشک طولانی، استفاده از مواد فعال زیست سازگار و کم هزینه هستند. در اینجا، سلول جامد هوا-Zn از یک الکترولیت پلیمری PEO-PVA کامپوزیت آلکالین تشکیل شده است که با آنود ژل زینک و کاتود انتشار هوا ترکیب شده است. عملکرد الکتروشیمیایی باتری هوا -Zn با کمک آزمایش تخلیۀ گالوانواستاتیک و اسپکتروسکوپی امپدانس ac بررسی شده است.

 

نتیجه گیری

در شکل زیر طیف امپدانس ac برای فیلم های الکترولیت پلیمر آلکالین PEO-PVA-KOH در دماهای مختلف ارائه شده است.

 

شکل 1: طیف امپدانس ac برای فیلم های الکترولیت پلیمر آلکالین PEO-PVA-KOH در دماهای مختلف

The ac impedance spectra for composite PEO-PVA

 

با تحلیل طیف ها میتوان به اطلاعاتی درمورد خواص الکترولیت پلیمر مخلوط همچون مقاومت فله، Rb، دست یافت. با در نظر گرفتن ضخامت فیلم های الکترولیت، میزان Rb مطابق فرمول زیر به رسانایی یونی، S، تبدیل شد:

 

معمولآ میزان Rb در فیلم های پلیمری فایبرگلاس ماتPEO-PVA  از 1-5Ω متغیر بوده و به محتوای KOH و H₂O در فیلم ها وابسته هستند. مقادیر مربوطه به رسانایی یونی تقریبآ 10¯² ثانیه / سانتیمتر مربع است. طیف امپدانس ac در فیلم های الکترولیت پلیمری PEO-PVA حاوی ساپورت فایبرگلاس مات در دمای اتاق به دست آمد. مقادیر رسانایی یونی در این الکترولیت ها با ترکیبات مختلف در جدول زیر ارائه شده است.

 

جدول 1: مقادیر رسانایی یونی در این الکترولیت ها با ترکیبات مختلف؛ با ثبات رطوبت نسبی 50 درصدی

 Conductivity of PEOPVAglass-fibre-mat

 

در شکل زیر نیز اسکن میکروگراف های فیلم های الکترولیت پلیمر PEO-PVA ارائه شده است.

 

شکل 2: میکروگراف های SEM در فیلم های الکترولیت پلیمر PEO-PVA کامپوزیت. a: نمای بالای فیلم و b: نمای کناری فیلم

 SEM microphotographs for composite PEO-PVA

 

مورفولوژی سطح فیلم دارای ساختار میکرو متخلخل است. همچنین در این شکل فیلم های حاوی بسیاری از منافذ کوچک با ابعاد 0.1-0.2 میلیمتر نشان داده شده اند. فیلم ها ممکن است یک ساختار مشبک سه بعدی با پشتیبانی از فایبرگلاس مات ایجاد کنند که اجازه می دهد الکترولیت KOH بیشتری در ماتریس پلیمر کامپوزیت جمع شود و همچنین، مقاومت مکانیکی و پایداری را افزایش می دهد. رسانایی یونی بالا برای معرفی یک الکترولیت پلیمری مناسب برای کاربردهای عملی بالاتر کافی و مناسب نیست. در مطالعات ولتامتری چرخه ای، پتانسیل سوئیپ اولین بار در جهت حرکت منفی اسکن شده و سپس معکوس شد. پنجرۀ ثبات الکتروشیمیایی بعنوان یک نقطۀ بالقوه که در آن هیچ جریان قابل ملاحظۀ فارادیکی وجود ندارد، در نقاط کاتودی و آنودی محدود شده است؛ در آن کاهش و اکسیداسیون الکترولیت پلیمری کامپوزیت و یون های OH¯ نیز می توانند محدود شوند. پنجرۀ ثبات الکتروشیمیایی گسترده برای کاربرد عملی این فیلم ها بسیار ضروری است. ثبات الکترولیت پلیمری کامپوزیت در رابط همراه با الکترود فولاد ضد زنگ توسط پتانسیل های تقریبآ +1.2 و -1.2 ولت محدود شده است؛ که پنجرۀ حدودآ 2.4 ولت را نشان می دهد. باتوجه به شکل زیر، بدیهی است که جداکننده های پلی اتیلن PE/ پلی پروپیلین (PP) و سلولز دارای پنجره های ثبات الکتروشیمیایی باریک تری هستند.

 

شکل 3: ولتاموگراف چرخه ای در فیلم الکترولیت پلیمر PEO-PVA و جداکننده های سلولز و PP/PE در نرخ اسکن 1 میلی ولت / ثانیه در 25 درجه سلسیوس

 Cyclic voltammograph for composite PEO-PVA

 

الکترولیت پلیمری فایبرگلاس مات PEO-PVA کامپوزیت آلکالین تعیین کنندۀ مقاومت مکانیکی بالا و ثبات الکتروشیمیایی است؛ که می تواند انتخاب خوبی برای استفاده در باتری های آلکالین هوا-Zn محسوب شود. منحنی تخلیۀ سلول های هوا-Zn با مواد جداکنندۀ مختلف و فیلم الکترولیت پلیمری PEO-PVA کامپوزیت در شکل زیر ارائه شده اند.

 

شکل 4: منحنی های تخلیۀ سلول های جامد هوا- Zn با PE0-PVA SPE و هوا-Zn  با جداکننده های مختلف در نرخ C/10 در 25 درجه سلسیوس

 The discharge curves of solid-state Znair cells with PEO-PVA

 

سلول حاوی الکترولیت پلیمر بالاترین ظرفیت را نشان می دهد؛ به این معنا که 1305 mAh در نرخ C/10 در دمای 25 درجه سلسیوس. در مقابل، استفادۀ معمولی از باتری های هوا- Znبا جداکننده های PE/PP و سلولز به ترتیب 75 و 78 درصد است. نتایج تجربی بدست آمده از بررسی این سلول ها در جدول زیر ارائه شده است.

 

جدول 2: نتیجۀ بررسی سلول های هوا- Zn مختلف در شرایط جریان ثابت (ابعاد سلول: 2 سانتیمتر، 3 سانتیمتر و مساحت 6 سانتیمتر مربع)

 Results for different Znair cells under a constant current condition

 

سلول حاوی الکترولیت پلیمر جامد دارای بالاترین ظرفیت بوده و به دلیل داشتن منافذ بسیار کوچکتر (0.1-0.2 میلیمتر) در ماتریس پلیمری PEO-PVA کامپوزیت، در مقایسه با جداکننده های PE/PP و سلولز کاربرد بالایی نیز دارد. سلول معمولی هوا -Zn با استفاده از جداکنندۀ PE/PP یا سلولز با اندازۀ منافذ حدود 10-20 میلی متر، درصورتی که تحت تخلیۀ زیاد باشد، بسادگی دچار اتصال کوتاه می شود. علت این کار را میتوان اندازۀ منافذ بسیار بزرگتر و انتشار یکنواخت اندازۀ منافذ در جداکنندۀ PE/PP دانست.

 

الکترولیت های پلیمر فایبرگلاس مات PEO-PVA کامپوزیت آلکالین با استفاده از روش ریخته گری حلال تهیه شده اند. خواص مهم این الکترولیت ها نیز با کمک اسکن میکروسکوپی الکترون، ولتامتری چرخه ای و اسپکتروسکوپی امپدانس ac مورد بررسی قرار گرفته اند. میزان رسانایی در فیلم الکترولیت در دمای اتاق تقریبآ  0.01ثانیه / سانتیمتر مربع است که به ترکیب الکترولیت بستگی دارد. در نتیجه میتوان گفت که الکترولیت های پلیمر کامپوزیت دارای مقاومت مکانیکی عالی و ثبات الکتروشیمیایی (±1.2 ولت) هستند. باتری های هوا-Zn جامد نیز مونتاژ شده و بررسی شدند. باتوجه به نتایج حاصله، عملکرد الکتروشیمیایی سلول های هوا-Zn با الکترولیت های پلیمری کامپوزیت بسیار بهتر از سلول های معمولی با جداکنندۀ PE/PP یا سلولز است. الکترولیت پلیمر فایبرگلاس مات PEO-PVA کامپوزیت آلکالین نیز نوید استفاده در باتری های هوا-Zn را می دهد.