توصيفگر ها :
باتري‌هاي ليتيوم يون , ذخيره انرژي الكتروشيميايي , آند باتري , اكسيدهاي آنتروپي بالا , پايداري فاز
چكيده فارسي :
باتري‌هاي ليتيوم يوني يكي از پركاربردترين سيستم‌هاي ذخيره انرژي در حال حاضر است و نه تنها به طور گسترده به‌عنوان ذخيره‌كننده انرژي براي دستگاه‌هاي قابل حمل استفاده مي‌شود، بلكه نقش مهمي در بازارهاي رو به رشد وسايل محرك الكتريكي ايفا مي‌كنند. لذا با توجه به گسترش استفاده از باتري‌هاي ليتيومي براي كاربردهاي ذخيره انرژي به‌ويژه خودروهاي الكتريكي پيش‌بيني مي‌شود كه تقاضا براي باتري‌هاي ليتيوم يوني در سال‌هاي آينده افزايش چشم‌گيري داشته باشد كه اين وضعيت يك ضرورت جدي براي تحقيقات به سمت راه حل¬هاي نوآورانه و زيست‌محيطي ايجاد مي‌كند. در اين پژوهش، آندهاي متشكل از اكسيدهاي آنتروپي بالا كه هنوز در مراحل اوليه تحقيقاتي قرار دارند، به دليل خواص الكتروشيميايي عالي از جمله هدايت الكتريكي، بازده كولمبي و نرخ‌پذيري به‌عنوان آند باتري‌هاي ليتيوم يوني بررسي شدند. در اولين بخش از اين تحقيق، اكسيد آنتروپي بالاي (FeCoNiCrMn)3O4 با استفاده از واكنش حالت جامد دماي بالا سنتز شد. مشخصه‌يابي ريزساختار به دست آمده با استفاده از پراش پرتو ايكس و ميكروسكوپ الكتروني عبوري انجام شد. نتايج اين دو آزمون نشان داد كه ساختار اكسيد آنتروپي بالاي حاصل شده، ساختاري تك فاز با پايداري بالا بود، همچنين توزيع عناصر فلزي در اين ساختار به طور كامل همگن بود و هيچ جدايش عنصري مشاهده نشد. آزمون گالوانواستاتيك براي اندازه‌گيري خواص الكتروشيميايي آند سنتز شده با استفاده از يك سلول سكه‌اي انجام شد. آند اكسيدآنتروپي بالا (HEO) ظرفيت "mA h " "g" ^"-1" 828 در دشارژ اول و "mA h " "g" ^"-1" 445 در شارژ اول از خود نشان داد. در ادامه، براي بهبود عملكرد الكتروشيميايي و افزايش هدايت الكتريكي با استفاده از فرآيند بسپارش، پليمر رساناي پلي‌آنيلين روي ذرات HEO پوشش داده شد. براي اطمينان از تشكيل پوشش پليمري، آزمون طيف سنجي تبديل فوريه، ميكروسكوپ الكتروني روبشي و طيف‌سنجي پراش انرژي اشعه ايكس انجام شد. آند HEO با پوشش پليمري (HEO-P) ظرفيت بالاي "mA h " "g" ^"-1" 964 در دشارژ اول و "mA h " "g" ^"-1" 612 در شارژ اول از خود نشان داد. همچنين، اين آند خواص نرخ‌پذيري خوبي با ظرفيت "mA h " "g" ^"-1" 104 در C 1 ("mA " "g" ^"-1" 2 C = 1) ارائه داد. براي مقايسه بهتر، آندهاي HEO-P و HEO با آزمون طيف‌سنجي امپدانس الكتروشيميايي و ميكروسكوپ الكتروني روبشي گسيل ميداني مورد بررسي قرار گرفتند. خواص الكتروشيميايي عالي HEO-P نسبت به HEO را مي‌توان به پوشش پلي‌آنيلين رسانا نسبت داد كه باعث شد تغييرات حجم را كاهش دهد، يكپارچگي ساختاري را در طول چرخه حفظ كند، از واكنش¬هاي جانبي بين الكتروليت و مواد الكترودي و توليد بيش از حد الكتروليت ميان¬ فازي جامد جلوگيري كند و هدايت يوني/ الكتريكي را افزايش دهد. اثر هم‌افزايي كاتيون‌هاي فلزي متعدد با شعاع، حالت ظرفيت و پتانسيل واكنش متفاوت و اثر تثبيت آنتروپي باعث شد كه HEO عملكرد الكتروشيميايي برتري داشته باشد. همچنين پوشش‌دهي با پلي‌آنيلين يك گام كليدي براي بهبود قابل توجه عملكرد آندهاي HEO جهت استفاده در باتري‌هاي ليتيوم يوني است كه مي‌تواند به بهبود كاربردهاي عملي آن كمك كند.
چكيده انگليسي :
Lithium-ion batteries currently stand as one of the most widely utilized energy storage tools, extensively employed not only for portable devices but also playing a pivotal role in the burgeoning markets of electric vehicles and the integration of renewable energy networks. Given the expanding use of lithium batteries for energy storage applications, particularly in electric vehicles, it is anticipated that the demand for high-capacity and high-energy-density lithium-ion batteries will significantly increase in the coming years. This surge in demand necessitates serious research towards innovative and environmentally friendly solutions. This study examines high-entropy oxide anodes, still in the early stages of research, for their exceptional electrochemical properties, including electrical conductivity, Coulombic efficiency, and rate capability. The initial phase of this investigation synthesized high-entropy oxide (FeCoNiCrMn)3O4 using a high-temperature solid-state reaction. The resulting microstructure was characterized using X-ray diffraction (XRD) and transmission electron microscopy (TEM), revealing a single-phase structure with high stability and a homogeneous distribution of metal elements without any elemental segregation. Galvanostatic testing to measure the electrochemical properties of the synthesized anode was conducted using a CR2032 coin cell, where the high-entropy oxide (HEO) anode demonstrated a capacity of 828 mA h g-1 upon the first discharge and 445 mA h g-1 on the first charge. Subsequently, to enhance the electrochemical performance and increase electrical conductivity, a conductive polyaniline polymer was coated onto HEO particles through a polymerization process. The formation of the polymer coating was confirmed using Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), scanning electron microscopy (SEM), and energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX). The polymer-coated HEO anode (HEO-P) exhibited a high capacity of 964 mA h g-1 on the first discharge and 612 mA h g-1 on the first charge, along with good rate capability, providing a capacity of 104 mA h g-1 at 1 C (where 1 C = 1 mA h g-1). The comparative analysis of HEO-P and HEO anodes through electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and field emission scanning electron microscopy (FESEM) highlighted the superior electrochemical properties of HEO-P, attributed to the conductive polyaniline coating which reduced volume changes, maintained structural integrity throughout cycling, prevented side reactions between the electrolyte and electrode materials, suppressed the excessive formation of solid electrolyte interphase, and enhanced ionic/electronic conductivity. The synergistic effect of multiple metal cations with varying radii, valence states, and reaction potentials, combined with the stabilizing effect of entropy, contributes to the superior electrochemical performance of HEO. Furthermore, the concept of polymer coating represents a key step towards significantly improving the performance of HEO anodes in lithium-ion batteries, potentially advancing their practical applications.
