Skip to main content
SUPERVISOR
Ahmad Saatchi,Hossein Tavanai,Kaivan Raissi
احمد ساعت چي (استاد راهنما) حسين توانايي (استاد مشاور) کيوان رئيسي (استاد راهنما)
 
STUDENT
Alireza Saatchi
عليرضا ساعت چي

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1387

TITLE

Preparation and Characterization of Composite Carbon Nanofibers and Tin Alloy Electrode to be Used as Anodes for Lithium Ion Batteries
Batteries, as the portable power source, have genrally been the limiting factor in reducing the weight and size of portable electronics. Significant amount of research in material design, carried out by solid-state chemists, material physicists, material scientists and electrochemists have resulted in the invention of lighter and smallert batteries. One of the most important steps towards this trend is the introduction of Lithium Ion Batteries (LIBs), as lithium, is the lightest and smallest alkalai metal. Nevertheless, the development of this technology confronts major challenges in finding a suitable anode material with all the essential carachteristics, such as high capacitiy and good cycling (charge/discharge) performances. Carbon-based materials have been most commonly used as anode materials of LIBs, due to their excellent cycling behavior. However, Scientists are looking for an alternative for carbon; since it's capacitiy for lithium insertion is intrinsically limited. Alloys such as Si-based and Sn-based, with much higher theoretical capacities, have also been studied, but none have succeeded in producing an anode material to substitute carbon. All of these alloys, unlike carbon, fail to withstand the volume changes of insertion and de-insertion of lithium ions during charging and discharging of the battery. Thereby the anode material craks after a few cycles and inner-particles loose contact with current collector and eventually, the high capacity fades away. Different approaches have been taken to solve this probem. Multicomponent materials such as Sn-Sb alloys have much better cycling performances than single component ones due to their complex reaction mechanisms with lithium ions. The use of nanomaterials and/or porous materials will also improve the dimentional integrity of the anode material during cycling. However, some technical problems such as re-agregation of nanometer-sized particles render these soloutions impractical and unreliable. One more effective remedy is to disperse superfine alloy particles in an amorphous carbon membrane, which not only prevents the nanometer-sized alloy particles from aggregation but can also act as a buffer against volume expansions. In the present study a Sn-Sb alloy is electrodeposited on a Carbon Nanofiber (CNF) membrane. CNF is produced by the electrospinning of PAN precursor followed by a heat treatment that consists of stabilization, carbonization and activation. CNF, with a complex porous structure with perfectly inter-related pores and extreamly high surface area, provides noble electrochemical performances as electrode materials of any battery system. CNF is also among the best known carbon structures for LIB anode materials, and by using it as a template for a high capacity alloy we attempt to retain the unique structural characteristics in the coated
چکيده باتري هاي يون ليتيم به عنوان مهم ترين منبع انرژي قابل حمل در عصر حاضر شناخته مي‌شوند. انتخاب جنس آندي با ظرفيت بالا تر و سيکل پذيري بهتر دو چالش عمده بر سر راه توسعه روز افزون اين باتري‌ها مي‌باشد. آلياژ قلع انتيموان در آند باتري هاي يون ليتيم مورد استفاده و در حال توسعه است. اين آلياژ به عنوان کانديدي براي جايگزيني مواد کربني مطرح شده است که رفتار سيکلي بسيار خوبي در باتري هاي يون ليتيمي داشتند ولي ظرفيت آن ها بسيار محدود بود. آلياژ قلع انتيموان از طرف ديگر ظرفيتي قابل قبول به عنوان ماده آندي دارد، ولي با وجود اينکه به علت مکانيزم پيچيده اي که در واکنش با يون ليتيم دارد نسبت به قلع خالص سيکل پذيري بسيار بهتري دارد، هنوز در سيکل هاي طولاني دچار افت ظرفيت و شکست مي‌گردد. بدين معني که در اثر انبساط/انقباض ناشي از ورود/خروج يون ليتيم به درون ساختار خود خرد شده، ظرفيت خود را از دست مي‌دهد. براي جلوگيري از خرد شدن آلياژ در اثر تغيير حجم‌ها تحقيقات زيادي انجام گرفته است. نانومتري کردن ساختار يکي از روش هاي ايجاد خواص الکتروشيميايي و سيکل پذيري بهتر در ماده آندي است. راه حل ديگر استفاده از مواد متخلخل است که با ايجاد فضا براي انبساط هاي ساختار مي‌تواند در بهبود سيکل پذيري ماده مفيد واقع شود. البته هيچ يک از اين اقدامات نتوانسته است نقص سيکل پذيري آلياژ قلع انتيموان را کاملاً برطرف نمايد. پراکنده کردن ذرات فوق ريز در بستر متخلخل کربني راه حلي بسيار مؤثر در اين راه است. اين روش نه تنها مزاياي روش هاي ديگر که به آن ها اشاره شد را دارد، بلکه در چنين کامپوزيتي زمينه کربني از ترکيب مجدد ذرات ريز آلياژ جلو گيري مي‌کند. همچنين از آنجايي که کربن خود با سيکل پذيري خوبي پذيراي يون ليتيم است، با مکانيزم فعال/فعال بدون کاهش ظرفيت کل ماده، تنش‌هاي انبساطي آلياژ قلع را دفع مي‌نمايد. هدف از تحقيق حاضر ساخت چنين کامپوزيتي از طريق پوشش دهي الکتريکي آلياژ قلع انتيموان بر روي زيرلايه اي از نانو الياف کربن است. زيرلايه نانو الياف کربن از طريق الکتروريسي پليمرPAN و سپس عمليات حرارتي مخصوص آن بدست آمد. با مشخصه يابي الياف کرين حاصله و کنترل پارامتر هاي الکتروريسي و عمليات حرارتي سعي بر آن شد که روشي نو براي ساخت الکترود باتري يون ليتيمي با اين روش ابداع گردد. پوشش دهي الکتريکي آلياژ قلع انتيموان بر الياف کربن حاصل شده مرحله بعدي ساخت ماده آندي بود. در آخر آزمون هاي شارژ و دشارژ در سل يون ليتيمي تحت اتمسفر کنترل شده بر روي الکترودهايي که با اين روش توليد شده بودند انجام گرفته شد و بدين ترتيب ماده آندي کامپوزيتي با ظرفيت و سيکل پذيري قابل قبولي براي باتري هاي يون ليتيم معرفي گرديد. کلمات کليدي: 1- آند باتري هاي يون ليتيم 2-آلياژ قلع-آنتيموان 3-الکتروريسي پلي آکريلونيتريل 4-عمليات حرارتي پليمر‌ها 5- رسوب دهي الکتريکي 6-کامپوزيت‌ها 7-مواد نانوساختار

ارتقاء امنیت وب با وف بومی