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

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
باتری های یون لیتیم به عنوان مهم ترین منبع انرژی قابل حمل در عصر حاضر شناخته می‌شوند. انتخاب جنس آندی با ظرفیت بالا تر و سیکل پذیری بهتر دو چالش عمده بر سر راه توسعه روز افزون این باتری‌ها می‌باشد. آلیاژ قلع انتیموان در آند باتری های یون لیتیم مورد استفاده و در حال توسعه است. این آلیاژ به عنوان کاندیدی برای جایگزینی مواد کربنی مطرح شده است که رفتار سیکلی بسیار خوبی در باتری های یون لیتیمی داشتند ولی ظرفیت آن ها بسیار محدود بود. آلیاژ قلع انتیموان از طرف دیگر ظرفیتی قابل قبول به عنوان ماده آندی دارد، ولی با وجود اینکه به علت مکانیزم پیچیده ای که در واکنش با یون لیتیم دارد نسبت به قلع خالص سیکل پذیری بسیار بهتری دارد، هنوز در سیکل های طولانی دچار افت ظرفیت و شکست می‌گردد. بدین معنی که در اثر انبساط/انقباض ناشی از ورود/خروج یون لیتیم به درون ساختار خود خرد شده، ظرفیت خود را از دست می‌دهد. برای جلوگیری از خرد شدن آلیاژ در اثر تغییر حجم‌ها تحقیقات زیادی انجام گرفته است. نانومتری کردن ساختار یکی از روش های ایجاد خواص الکتروشیمیایی و سیکل پذیری بهتر در ماده آندی است. راه حل دیگر استفاده از مواد متخلخل است که با ایجاد فضا برای انبساط های ساختار می‌تواند در بهبود سیکل پذیری ماده مفید واقع شود. البته هیچ یک از این اقدامات نتوانسته است نقص سیکل پذیری آلیاژ قلع انتیموان را کاملاً برطرف نماید. پراکنده کردن ذرات فوق ریز در بستر متخلخل کربنی راه حلی بسیار مؤثر در این راه است. این روش نه تنها مزایای روش های دیگر که به آن ها اشاره شد را دارد، بلکه در چنین کامپوزیتی زمینه کربنی از ترکیب مجدد ذرات ریز آلیاژ جلو گیری می‌کند. همچنین از آنجایی که کربن خود با سیکل پذیری خوبی پذیرای یون لیتیم است، با مکانیزم فعال/فعال بدون کاهش ظرفیت کل ماده، تنش‌های انبساطی آلیاژ قلع را دفع می‌نماید. هدف از تحقیق حاضر ساخت چنین کامپوزیتی از طریق پوشش دهی الکتریکی آلیاژ قلع انتیموان بر روی زیرلایه ای از نانو الیاف کربن است. زیرلایه نانو الیاف کربن از طریق الکتروریسی پلیمرPAN و سپس عملیات حرارتی مخصوص آن بدست آمد. با مشخصه یابی الیاف کرین حاصله و کنترل پارامتر های الکتروریسی و عملیات حرارتی سعی بر آن شد که روشی نو برای ساخت الکترود باتری یون لیتیمی با این روش ابداع گردد. پوشش دهی الکتریکی آلیاژ قلع انتیموان بر الیاف کربن حاصل شده مرحله بعدی ساخت ماده آندی بود. در آخر آزمون های شارژ و دشارژ در سل یون لیتیمی تحت اتمسفر کنترل شده بر روی الکترودهایی که با این روش تولید شده بودند انجام گرفته شد و بدین ترتیب ماده آندی کامپوزیتی با ظرفیت و سیکل پذیری قابل قبولی برای باتری های یون لیتیم معرفی گردید. کلمات کلیدی: 1- آند باتری های یون لیتیم 2-آلیاژ قلع-آنتیموان 3-الکتروریسی پلی آکریلونیتریل 4-عملیات حرارتی پلیمر‌ها 5- رسوب دهی الکتریکی 6-کامپوزیت‌ها 7-مواد نانوساختار

ارتقاء امنیت وب با وف بومی