Skip to main content
SUPERVISOR
Mohammad Zhiani,Hassan Hadadzadeh,Amir Abdolmaleki
محمد ژیانی (استاد راهنما) حسن حداد زاده (استاد مشاور) امیر عبد الملکی (استاد مشاور)
 
STUDENT
Kasra Askari
کسری عسکری

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1393

TITLE

Preparation and evaluation of a novel cathode support by graphene-based cobalt nanoparticles for lithium thionyl chloride battery
The lithium/thionyl chloride (Li/SOCl 2 ) cell has one of the highest specific energies of any developed primary (non-rechargeable) battery. Large capacity, low rate (low power) cells have been built that can deliver a practical specific energy of 500 Wh/kg. The system has an open circuit voltage of 3.66 V and typically operates in the 3.3 to 3.5 V range. Li/SOCl 2 batteries perform well over a wide temperature range (-40 to 80°C) and are still functional at temperatures as high as 145°C. The lithium/thionyl chloride cell consists of a lithium anode, an inert carbon cathode and a non-aqueous electrolyte. SOCl 2 is both the liquid electrolyte and the active cathode material - the material that undergoes reduction upon the discharge of the battery. The electrolyte is composed of thionyl chloride, (SOCl 2 ), lithium chloride, (LiCl), and aluminum trichloride, (AlCl 3 ). As SOCl 2 has a very low conductivity, it is necessary to add conductive salts to facilitate Li + ion traort. Typically LiAlCl 4 (LiCl and AlCl 3 ) is used, both because it is readily soluble in SOCl 2 , and because it is relatively inexpensive. Commercial cells also include proprietary additives to improve cell performance. Additives such as polyvinyl chloride for control of voltage delay. In this thesis, the effect of adding graphene-based cobalt nanoparticles to the cathode support on electrochemical reduction of thionyl chloride in lithium thionyl chloride battery has been investigated. Acetylene black (100% compressed) and PTFE dispersion (60 wt%) were applied for preparation of cathode support composite material. For the preparation of the cathode substrate, Co/rGO nanocatalyst was applied in two procedures: a) Mechanical mixing and subsequently evaluating the electrochemical performance of the battery and b) preparation of composite and then performing the electrochemical measurements. Obtained results showed that adding Co/rGO nanocatalyst in both procedures significantly enhances the battery electrochemical performance. This effect remarkably can be observed in second procedure due to synergism effect of both enhancing the charge transfer process and surface area increasement. This catalytic activity of cobalt atoms can be related to the electronic configuration of d orbitals.
باتری لیتیم تیونیل کلرید در میان تمام باتری های نوع اول (غیرقابل شارژ) دارای بالاترین انرژی مخصوص است. به لحاظ نظری انرژی مخصوص این باتری ها درصورتی‌که از نوع ظرفیت بالا باشند در حدود 500 وات ساعت به ازای هر کیلوگرم از ماده فعال آندی است. پتانسیل مدارباز باتری لیتیم تیونیل کلرید 66/3 ولت است و ولتاژ عملیاتی آن در حدود 5/3 تا 3/3 ولت متغیر است. محدوده دمای عملیاتی این باتری ها از 40- تا 80+ درجه سانتی‌گراد است و بعضی از طراحی های این نوع باتری می تواند تا دمای 145 درجه سانتی‌گراد قابلیت عملیاتی خود را حفظ کند. اجزای تشکیل‌دهنده باتری لیتیم تیونیل کلرید شامل آند لیتیمی، بستر کاتد کربنی بی اثر و الکترولیت غیرآبی تیونیل کلرید است. تیونیل کلرید علاوه بر اینکه به‌عنوان الکترولیت مایع عمل می کند، نقش ماده فعال کاتدی را نیز دارد. الکترولیت باتری علاوه بر تیونیل کلرید شامل نمک لیتیم تتراکلرو آلومینات (LiAlCl 4 ) نیز است. ازآنجاکه تیونیل کلرید هدایت الکتریکی بسیار پایینی دارد، ضروری است تا با افزودن یک نمک رسانا، انتقال یون های لیتیم را سرعت بخشید. نمک لیتیم تتراکلرو آلومینات علاوه بر اینکه به‌راحتی در تیونیل کلرید حل می شود، نمک ارزان‌قیمتی نیز محسوب می شود. در باتری های تجاری به‌منظور بهبود عملکرد از برخی افزودنی هایی استفاده می شود. از آن جمله می توان به افزودنی هایی مانند پلی وینیل کلرید که برای کاهش تأخیر ولتاژ به باتری افزوده می شوند، اشاره کرد. در این پایان نامه، اثردوافزودنی مختلف شامل نانو ذرات کبالت بر پایه گرافن اکسید کاهش‌یافته و گرافن اکسید کاهش‌یافته به‌عنوان الکتروکاتالیست فرآیند کاهش الکتروشیمیایی تیونیل کلرید در باتری لیتیم تیونیل کلرید موردبررسی قرارگرفته است. برای ساخت بستر کربنی کاتد باتری از پودر استیلن بلک 100% فشرده‌شده و محلول تفلون 60% وزنی به‌عنوان چسب استفاده‌شده است. از نانوکاتالیست‌های کبالت بر پایه گرافن اکسید کاهش‌یافته و گرافن اکسید کاهش‌یافته به دو صورت در باتری لیتیم تیونیل کلرید استفاده‌شده است. در حالت اول، نانوکاتالیست ها تنها به‌صورت مکانیکی با بستر کربنی کاتد مخلوط شده و عملکرد الکتروشیمیایی سیستم مورد ارزیابی قرارگرفته است. در حالت دوم، نانوکاتالیست ها در حین فرآیند آماده سازی بستر کربنی کاتد با آن کامپوزیت شده و در این حالت نیز عملکرد الکتروشیمیایی باتری مورد ارزیابی قرارگرفته است. نتایج ارزیابی‌ها نشان می دهند که بهره گیری از الکتروکاتالیست نانو ذرات کبالت بر پایه گرافن به طرز چشمگیری می تواند بر روی عملکرد الکتروشیمیایی باتری های لیتیم تیونیل کلرید اثر گذارد. در حالتی که از نانوکاتالیست ها به‌صورت اختلاط مکانیکی با بستر کربنی کاتد باتری استفاده‌شده است، فرآیند انتقال بار بهتر انجام‌شده و کاهش الکتروشیمیایی تیونیل کلرید بهتر انجام می شود. همچنین در حالتی که نانوکاتالیست ها با بستر کربنی کاتد به‌صورت کامپوزیت یا هیبرید درآمده‌اند، علاوه بر بهبود فرآیند انتقال بار، به علت افزایش سطح‌فعال در دسترس برای فرآیند کاهش الکتروشیمیایی، کاهش تیونیل کلرید به لحاظ سینتیکی با سرعت بیشتری انجام می شود. فعالیت کاتالیستی نانو ذرات کبالت علاوه بر سطح زیاد آن‌ها به ساختار آرایش الکترونی اوربیتال های d اتم کبالت نیز مربوط می شود. پس از ارزیابی عملکردی باتری hy;های مونتاژ شده محتوی این الکتروکاتالیست ها، نتایج به وضوح نشان می هد که اصلاح بسترکربنی کاتد باتری لیتیم تیونیل کلرید به وسیله افزودن 4 تا 6 درصد وزنی از الکتروکاتالیست کبالت بر پایه گرافن اکسید کاهش یافته کاملاً نتیجه بخش بوده و می تواند ظرفیت دشارژ باتری را بین 13 تا 17 درصد (بسته به نحوه افزودن الکتروکاتالیست به باتری) ارتقاء بخشد.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی