Skip to main content
SUPERVISOR
Hossein Tavanai,Ahmad Saatchi,Kaivan Raissi
حسین توانایی (استاد مشاور) احمد ساعت چی (استاد راهنما) کیوان رئیسی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Elmira Ghanbari
المیرا قنبری

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388

TITLE

Preparation and Characterization of Composite Carbon Nanofibers and Silicon Electrode to be used as Anodes for Lithium Ion Batteries
A great attention is drawn to lithium-ion batteries (LIBs) by the burgeoning dominance of the technology. Developments in cathode materials that have effectively doubled the capacity within the past few years demand an anode to match. Carbonaceous materials as the most commonly used anode material have been studied and developed immensely in recent years, but they have a serious drawback of low theoretical capacity. This calls for new anode materials to substitute carbon. Si-based anode materials are among the most promising choices for further studies. The reason is that Si is the lightest member of Group IV elements after carbon and shows the highest gravimetric capacities (up to 4000 mAhgr-1 for the end member Li21Si5) although achieving this at ambient temperature is difficult. Thus, even small amounts of Si (20 wt %) in a composite material would lead to impressive results. The formation of lithium intercalation compounds within Silicon is associated with a large volume expansion that results in pulverization of the electrode material and loss of electrical contact between the material grains on prolonged cycling. The resulting rapid capacity fade reduces its practical use as electrode. Many researchers have addressed this problem by using nanometer sized particle to reduce the absolute volume changes of silicon anodes during cycling. Others efforts have been directed toward preparation of composites containing small silicon particles uniformly distributed within an electrochemically active or inactive solid phase and acting as a mechanical and electrochemical buffer. The latter is necessary for preventing electrochemical sintering of the silicon particles which takes place during alloying with Li+. Carbonaceous phases are the logical choice of buffering media for silicon-containing composites, because they are not only electrochemically active, but also have good electrical conductivity and permeability for Li+ .In the present study such a composite has been made by electrodepositing amorphous silicon on carbon nanofiber (CNF) membrane, as an anode material for LIBs. Electrically conductive CNFs are produced by electrospinning and later heat treating polyacrylonitrile (PAN) precursor. Another nanofibrous substrate has been made by electroless plating of Ni on stabilized PAN nanofibers, which is also utilized for silicon electrodepositon to prepare another composite anode material. The electrochemical performances of both of the composite materials have been evaluated in LIB charge/discharge testing. The Si/CNF composite presented a considerable capacity for lithium ions which makes it an ideal candidate for the anode material of high-power LIBs. The other composite having a pre-coat of Ni, which is electrochemically inactive with lithium ions, allowed a more precise evaluation of the Si coat. It is shown that Electrospinning is a straightforward and effective method for producing nanofiber structures that by controlling heat treatment parameters can lead to the production of conductive CNFs which make a promising substrate and a template for the electrodeposition of Si. By controlling the electrodeposition time in – 2.8 V vs. Pt QRE a nanometric layer of Si was formed over the CNFs resulting in randomly distributed Si nanowires. It is envisaged that the resulting composite as the anode material is effective in providing room for expansion and preventing particle re-aggregation in the cycling of LIB. Keywords: Lithium Ion Battery, Anode Material, Silicon, Carbon Nanofiber, Electrodeposition, Electrospinning, Electroless.
برای کاهش حجم و وزن باتری های یون لیتیمی همگام با تحولات روز افزون صنایع الکترونیکی قابل حمل، مشکلات عمده ای به خصوص در یافتن ماده آندی مناسب وجود دارد. سیلیسیم با ظرفیتی نزدیک به ده برابر کربن به عنوان مهم ترین ماده برای جایگزینی مواد کربنی که از دیرباز به صورت تجاری در آند باتری های یون لیتیمی استفاده شده اند، شناخته می شود. مشکل تمامی موادی که ظرفیت بالایی برای پذیرش یون لیتیم دارند این است به خاطر تغییرات حجمی شدید واکنش آن ها با لیتیم نمی توانند سیکل های مکرر شارژ و دشارژ را به عنوان آند باتری های یون لیتیم انجام دهند. چرا که آن ها در ابتدائی ترین سیکل ها دچار شکست می شوند و ظرفیت بالای خود را بسیار سریع، از دست می دهند. در تحقیقات گسترده ای که برای رفع این مشکل انجام گرفته است، یکی از مهم ترین راهکار ها فوق ریز کردن اندازه ذرات سیلیسیم برای کاهش مقدار مطلق انبساط های ناشی از انجام سیکل های شارژ است. همچنین استفاده از کامپوزیت های کربن/ سیلیسیم با آلیاژ سازی مکانیکی و نیز پراکنده سازی سیلیسیم در بستر های متخلخل کربنی، تا حدودی مؤثر بوده است. در این تحقیق سعی شده است که چنین کامپوزیتی از طریق پوشش دهی سیلیسیم بر روی بستر فوق متخلخل نانو الیافی ایجاد گردد. لایه نازک نانوالیافی یک بار به صورت نانوالیاف کربن فعال و بار دیگر به صورت نانوالیاف پایه پلیمری تثبیت شده و پوشش داده شده با نیکل، به عنوان زیرلایه تحت پوشش دهی الکتریکی سیلیسیم قرار گرفت. اولین مرحله تولید هر دو نوع زیرلایه نانوالیافی، تولید لایه نانوالیاف پایه پلیمری پلی آکریلونیتریل( PAN) بود. این لایه از طریق الکتروریسی PAN به صورت محلول در DMF به دست آمد. در ادامه، نانوالیاف PAN الکتروریسی شده تحت عملیات حرارتی قرار گرفت. PAN در طی مراحل مختلف این عملیات حرارتی، ابتدا تثبیت شد و سپس تا به دست آمدن نانوالیاف کربن رسانا که سطحی فعال دارد، تحت تحولات ساختاری شدیدی قرار گرفت. در آخرین مرحله دو کامپوزیت ساخته شده از طریق فوق، تحت ارزیابی الکتروشیمیایی در سل باتری لیتیمی قرار گرفتند. کامپوزیت نانو الیاف کربن/ سیلیسیم با ظرفیتی قابل قبول به عنوان یک ماده آندی جدید معرفی گردید. کامپوزیت سیلیسیم و نانو الیاف پوشش داده شده با نیکل (که با لیتیم وارد واکنش نمی گردد) عملکرد الکتروشیمیایی بسیار خوب پوشش سیلیسیم را نشان داد. در پایان پیشنهاد‌هایی عملی برای بهبود افزایش ظرفیت کامپوزیت نانو الیاف کربن/ سیلیسیم ارائه گردید. کلمات کلیدی : باتری‌های یون لیتیم، نانوالیاف کربن، الکتروریسی، الکترولس نیکل، رسوب دهی الکتریکی سیلیسیم

ارتقاء امنیت وب با وف بومی