پلیمر رسانا در ساخت باتری

دسته: مقالات منتشر شده در 19 آذر 1401
نوشته شده توسط Admin بازدید: 384

جایگزین کردن افزودنی های کربن: ساخت لایه های هادی فعال شده توسط پیش سازهای پلیمری هادی محلول - مطالعه موردی برای باتری های آلی

استفاده از مواد فعال-ردوکس آلی بعنوان الکترود، یک استراتژی امیدوارکننده برای فعال کردن طرح‌های نوآورانه باتری با خطرات زیست محیطی کم در حین تولید است که دستیابی به آن با مواد معدنی سنتی دشوار است. اکثر ترکیبات الکترود، آلی یا معدنی، علاوه بر مواد فعال ردوکس، به چسب برای چسبندگی و مواد افزودنی رسانا نیاز دارند تا امکان انتقال بار را از طریق الکترود فراهم کنند. با توجه به ماده فعال-ردوکس، انواع و ترکیبات بسیاری از بایندرها و افزودنی های رسانا در نظر گرفته شده است. ما یک پلیمر رسانا (CP) با یک واحد تریمری محلول بر اساس 3،4-اتیلن دی اکسی تیوفن  (E) و 3،4-پروپیلن دی اکسی تیوفن (P) بعنوان واحد تکرار طراحی کردیم، که به عنوان یک بایندر ترکیبی و افزودنی رسانا عمل می کند. در حالی که  CP ها بعنوان مواد افزودنی قبلاً مورد بررسی قرار گرفته ‌اند، در اینجا استفاده از یک پیش ‌ساز تریمریک، پردازش محلول را همراه با مواد اکسید کننده آلی امکان‌ پذیر می‌سازد. برای ارزیابی این مفهوم، CP با یک پلیمر ردوکس (RP)، که حاوی یک گروه فعال-ردوکس نفتوکینون  (NQ) در نسبت‌های مختلف بود، ترکیب شد. بالاترین ظرفیت برای وزن کل الکترود CP/RP 77 میلی آمپر ساعت/گرم در دمای 1 درجه سانتیگراد در 30 درصد  EPE و 70 درصد پلی (آلی آمین) جایگزین شده با نفتوکینون (PNQ) بود که 70 درصد ظرفیت تئوری که با RP در الکترود نشان داده می شود است. ما بیشتر از این الکترود در یک باتری آبی با کاتد  MnSO₄ استفاده کردیم. باتری ولتاژ 0.95 ولت را نشان داد و 93 درصد از ظرفیت اولیه را حتی پس از 500 سیکل در دمای 1 درجه سانتیگراد حفظ کرد.

 

تحت فشار قرار گرفتن جامعه ای پایدار از نظر زیست محیطی، تقاضای استفاده از فناوری ساخت باتری های جدید و پایدار را افزایش داده است. باتری‌ های ساخته شده از مواد فعال-ردوکس آلی در جامعه تحقیقاتی مورد توجه قرار گرفته‌ اند. این نوع مواد به لطف امکانات مصنوعی که با استفاده از مواد آلی که می توانند در فرآیندهای دمای پایین از منابع فراوان تولید شوند، طراحی های جدید و جالبی را امکان پذیر می سازند. با این حال، این نوع مواد در مقایسه با مواد معدنی در باتری‌های معمولی لیتیم یون یا هیدرید فلز نیکل که به فرایندهای دمای بالا در طول تولید و استفاده از منابع محدود نیاز دارند، از لحاظ زیست ‌محیطی بی خطر هستند. طرح‌های مختلفی برای ساخت باتری ارگانیک ارائه شده‌اند؛ از کارهای پیشگام نیشید و همکارانش یا پازوت و همکارانش گرفته تا باتری‌ های تمام ارگانیک جدیدتر و باتری‌های ترکیبی-ارگانیک. این باتری‌ها به افزودنی‌های رسانا (و بایندرها برای چسبندگی) در فرمول الکترود نیاز دارند، زیرا خود مواد فعال-ردوکس آلی رسانش کافی ندارند. در بیشتر موارد، کربن سیاه، نانوالیاف کربن، نانولوله های کربنی یا پارچه های کربنی به مقدار قابل توجهی (20 تا 80 درصد) در ترکیب الکترود استفاده می شود. در یک رویکرد متفاوت، ما نشان دادیم که استفاده از یک ستون فقرات پلیمری رسانا (CP) با گروه‌های آویز ردوکس می‌تواند منجر به تولید مواد الکترودی تمام آلی یا ترکیبی-آلی بدون استفاده از افزودنی‌های کربن شود، زیرا رسانش لازم توسط ستون فقرات  CP تامین می‌شود. در اینجا، ما بررسی می کنیم که آیا ممکن است از ستون فقرات CP به طور مستقیم بعنوان یک افزودنی رسانا، همراه با یک پلیمر ردوکس غیر رسانا  (RP) استفاده شود. فرضیه ما این بود که، اگر چنین افزودنی محلول باشد، پس از آن یک محلول با  RP حل شده می تواند در حین پردازش تشکیل شود و این محلول نیز به راحتی می تواند بر روی یک الکترود رسوب شده و در نتیجه، یک ترکیب  CP/RP بهینه ایجاد شود. اینگاناس و همکاران مفاهیم مختلفی را با استفاده از CP ها، برای مثال پلی پیرول یا پلی (3،4-اتیلن دی اکسی تیوفن)  (PEDOT) بعنوان افزودنی های رسانا و اتصال دهنده همراه با لیگنین بیوپلیمر نشان داده اند. در کار آنها، پلیمریزاسیون یا به صورت الکتروشیمیایی، تشکیل یک فیلم یا به صورت شیمیایی، که منجر به یک سوسپانسیون می شود، کامپوزیت هایی را بین CP و RP تشکیل می دهد. محدودیتی که در روش های گزارش شده وجود دارد این است که از یک ماده اولیه مونومر برای  CP استفاده می شود که باید از محلول پلیمریزه شود.

 

بنابراین ترکیب RP و CP در محلول و رسوب مخلوط روی الکترود به شکل محلول آن امکان پذیر نیست. کامپوزیت های حاوی  CP و مواد ردوکس معدنی مانند کاتدهای باتری لیتیم یون نیز مورد بررسی قرار گرفته اند. بعنوان مثال، استفاده از سوسپانسیون PEDOT:PSS همراه با فرمول به کار رفته در مواد کاتد یون لیتیم، با فسفات آهن لیتیم بعنوان جزء فعال، منجر به بهبود خواص می‌شود. اگرچه  PEDOT:PSS را می توان با محلول پردازش کرد، اما در واقع یک سوسپانسیون است که به همین دلیل نمی توان آن را یک افزودنی رسانای محلول در نظر گرفت. به جای کاوش در این مسیرهای متداول برای ایجاد یک کامپوزیت که در آن یک  CP دارای خواص اتصال دهنده و رسانا است، ما تصمیم می گیریم که پلیمریزاسیون پس از رسوب گذاری را بیشتر مطالعه کنیم؛ جایی که یک پیش ماده برای یک  CP به شکل یک تریمر بر روی الکترود رسوب شده و سپس، پلیمریزه می شود. به این ترتیب، افزودنی رسانا محلول است و می تواند همراه با  RP در محلول پردازش شود. در حالت ایده‌ آل، افزودنی رسانا باید در همان حلال  RP محلول باشد که می‌تواند حاوی طیف وسیعی از حلال‌های آلی باشد که امکان پردازش و رسوب روی الکترود را فراهم می‌کند در حالی که در حلالی که بعنوان الکترولیت استفاده می‌شود، نامحلول است. در این مطالعه، ما بر روی نفتوکینون   RPs(NQ) برای ایجاد یک کامپوزیت  CP/RP تمرکز می‌کنیم. این پلیمر کامپوزیت همان گروه فعال-ردوکس را بعنوان  RP رسانا بیان می کند که در آن گروه نفتوکینون  (NQ) ردوکس-فعال به طور کووالانسی به ستون فقرات تیوفن  (EP(NQ)E) که قبلاً در مورد آن بحث کردیم، متصل است. بنابراین ما  EP(NQ)E را بعنوان ماده مرجع برای این مطالعه انتخاب کردیم. برای بررسی بیشتر پتانسیل پلیمر کامپوزیت  CP/RP تشکیل شده، از الکترود بعنوان آند در یک باتری آلی ترکیبی با  MnO₂/Mn²⁺ بعنوان کاتد استفاده کردیم.

 

در اینجا، ما نشان می دهیم که چگونه یک CP، که از یک پیش ماده محلول تشکیل شده است، می تواند بعنوان یک ماده رسانا و بایندر ترکیبی در الکترودهای آلی استفاده شود. ما نشان می‌دهیم که  PNQ در این باره مناسب است زیرا پتانسیل ردوکس آن بالاتر از پتانسیل شروع افزودنی رسانا است. در این مورد، حداکثر ظرفیت (77 میلی آمپر ساعت/گرم)، بر اساس وزن کل الکترود، با استفاده از 30 درصد وزنی pEPE و 70 درصد وزنی PNQ به دست آمد. علاوه بر این، pEPE ظرفیت به دست آمده را در مقایسه با کربن سیاه بعنوان یک افزودنی بهبود بخشید که به ماهیت آبگریز PNQ نسبت داده می شود. با این حال، PNQ:pEPE عملکرد خوبی را نشان می دهد. یک باتری، با کاتد MnO₂ و PNQ:pEPE بعنوان آند، ولتاژ 0.95 ولت و چرخه پذیری بالا (بیش از 500 سیکل) را نشان داد. در تحقیقات آینده، pEPE  می‌تواند بعنوان افزودنی‌های رسانا در انواع دیگر مواد فعال-ردوکس آلی و همچنین در مواد معدنی مورد بررسی قرار گیرد.