شماره راهنما :
2411 دكتري
پديد آورنده :
زارع فراشبندي، خسرو
عنوان :
ساخت و مشخصهيابي تركيب كامپوزيتي گرافيت - Li4Ti5O12 جهت استفاده در آند باتريهاي ليتيم-يوني
گرايش تحصيلي :
مواد - متالورژي
محل تحصيل :
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
توصيفگر ها :
باتري ليتيم - يون , سنتز فاز جامد , ضريب نفوذ ليتيم , كامپوزيت , ليتيم تيتانيوم اكسيد
تاريخ ورود اطلاعات :
1404/08/26
رشته تحصيلي :
مهندسي مواد - متالورژي
تاريخ ويرايش اطلاعات :
1404/08/28
چكيده فارسي :
در مطالعه حاضر، كامپوزيتهاي گرافيت – ليتيم تيتانيوم اكسيد تهيه گرديده و اثر شرايط فرآيند توليد، بهترين شرايط توليد كامپوزيت و كارايي كامپوزيتها در آند در باتريهاي ليتيم يوني بررسي شد. بهترين ميانگين اندازه ذرات پس از 5 ساعت آسياب گلولهاي برابر با 4/9 ميكرون بود. همچنين نتايج تصويربرداري ميكروسكوپ الكتروني و پراش پرتو ايكس نشان داد كه بهترين كارايي با استفاده از 70 يا 90 درصد وزني گرافيت بدست خواهد آمد. در نهايت، بررسي اثر دما نشان داد كه واكنش توليد ليتيم تيتانيوم اكسيد در دماهاي 650 و 750 درجه سانتيگراد تكميل نشده ولي در دماي 850 واكنش تكميل شده است. در ادامه، روش طراحي آزمايش تاگوچي براي مشخص كردن شرايط بهينه ساخت كامپوزيت با استفاده از ظرفيت سل كامل به انواع خروجي استفاده گرديد. نتايج طراحي آزمايش نشان داد كه بهترين شرايط توليد شامل زمان آسياب گلولهاي 5 ساعت با سرعت 300 دور بر دقيقه، دماي عمليات حرارتي 850 درجه سانتيگراد و ميزان گرافيت 70 و يا 90% وزني ميباشد. بررسيهاي شارژ و دشارژسل كامل نشان داد كه آند حاوي 90% گرافيت داراي ظرفيت mA.h.g-1 73/124 با بازده كولني اوليه 63/97% و آند داراي 70 درصد وزني گرافيت داراي ظرفيت mA.h.g-1 14/116 با بازده كولني اوليه 62/95% بودند كه بهبود قابل توجهي نسبت به آند ليتيم تيتانيوم اكسيد صنعتي (LTO) نشان ميدهند. افت ظرفيت بين سيكل دشارژ اول و دوم در نمونه گرافيت 90% - LTO از ساير نمونهها كمتر بوده و بررسي پايداري چرخه در سيكلهاي متوالي نشان داد كه كامپوزيتهاي گرافيت LTO داراي پايداري چرخه بهتري نسبت به LTO صنعتي بودند به صورتي كه كاهش ظرفيت آنها در 20 سيكل متوالي حدود يك سوم كاهش ظرفيت در LTO ميباشد. محاسبه ضريب نفوذ ليتيم در سل كامل نشان داد كه بيشترين ضريب نفوذ مربوط به نمونه گرافيت 70% - LTO با مقدار 1.356×10^(-11) 〖cm〗^2.s^(-1) و كمترين ضريب نفوذ مربوط به آند LTO صنعتي با مقدار 2.968×10^(-14) 〖cm〗^2.s^(-1) ميباشد. بررسي ميكروسكوپي FE-SEM آندها پس از 20 سيكل استفاده در باتري نشان داد كه هر دو كامپوزيت گرافيت 70% - LTO و گرافيت 90% - LTO فاقد ساختارهاي دندريتي ليتيم شكل گرفته روي سطح آند گرافيت بوده و ساختاري مشابه ماده LTO صنعتي پس از استفاده در باتري دارند. اين مطلب نشان ميدهد كه خواص مناسب LTO براي جلوگيري از تشكيل ساختارهاي دندريتي ليتيم در كامپوزيتها حفظ شده است. بررسيهاي XPS نشان داد كه دو كامپوزيت بهينه داراي رفتار مشابه در زمان استفاده در باتري بوده اما پيوندهاي ميان گرافيت و LTO در كامپوزيت حاوي 70% گرافيت قويتر است. شبيهسازي خواص سل باتري صنعتي با استفاده از دادههاي آزمايشگاهي بدست آمده نيز نشان دهنده كارايي مناسب آند كامپوزيتي در كاربردهاي صنعتي بود.
چكيده انگليسي :
In this study, Graphite – Lithium Titanium Oxide composites were prepared and the effects of synthesis conditions on the composite performance as the anode of lithium-ion batteries was investigated. The results indicated that the optimum mean particle size of 9.4 micrometers was obtained after 5 hours of ball milling. In addition, according to the SEM and XRD results, composites with 70 or 90% graphite content showed the most promise as anode of lithium – ion batteries. Finally, the results showed that lithium titanium oxide was not fully formed at heat treatment temperatures of 650℃ or 750℃ but the reaction was completed at 850℃. In the next step, Taguchi experiment design method was used to determine the optimum composite synthesis conditions with cell capacity as the output. According to the results, the optimum synthesis conditions included 5 hours of ball milling at 300 RPM followed by heat treatment at 850℃ with graphite content of 70% or 90%. Full-cell charge – discharge studies showed that the composite containing 90% of graphite had the specific capacity of 124.73 mA.h.g-1 with initial columbic efficiency of 97.63% while composite containing 70% of graphite had the specific capacity of 116.14 mA.h.g-1 with initial columbic efficiency of 95.62%, showing significant improvement comparted to LTO anode. The drop in capacity between the first and second charge cycles was the lowest in the LTO-90% Graphite anode. Cycle stability studies also showed that LTO-Graphite composite anodes showed better stability and lower drop in capacity compared to LTO anode. The results of Electrochemical Impedance Spectroscopy showed that the lowest electron and charge-transfer resistances were observed in LTO-90% graphite anode with the values of 5.454 and 5.699 ohms. The calculated lithium diffusion coefficient in full-cell showed that the highest lithium diffusion coefficient belonged to LTO-70% Graphite sample with 1.356×10^(-11) cm.s^(-1) while the lowest lithium diffusion coefficient was observed in LTO anode with 2.968×10^(-14) cm.s^(-1). The FE-SEM results of anodes after several cycles showed a lack of lithium dendrite structures in LTO-70% graphite and LTO-90% Graphite composites with behavior similar to that of LTO anode. This showed that the LTO’s advantage in preventing lithium dendrite formation has been preserved in the composites. XPS results confirmed that LTO-70% and LTO-90% composites have similar behavior during use in lithium-ion batteries but that LTO-70% composite has a stronger graphite – LTO bond before use compared to LTO-90% composite. Finally, simulation of industrial cells prepared using composite anodes and using experimental data showed suitable performance of composite anodes for industrial applications.
استاد راهنما :
عبدالمجيد اسلامي , عباس بهرامي
استاد داور :
مسعود عطاپور , اسماعيل حيدري , مريم احتشام زاده