عنوان

سنتز ‌پلیمرالکترولیت‌های جامد برپایه سلولز/پليمرهای رسانا برای استفاده در باتری‌های یون-لیتیوم

۵۰۶۱پ

فارسی

سنتز ‌پلیمرالکترولیت‌های جامد برپایه سلولز/پليمرهای رسانا برای استفاده در باتری‌های یون-لیتیوم

[پایان نامه]

عارفه صفوی میرمحله

صنعتی سهند

۱۴۰۲

۱۶۳ص.

مصور، جدول، نمودار

CD

دکتری

مهندسی پلیمر- فرآورش

۱۴۰۲/۰۷/۰۱

الکترولیت‌های پلیمری یکی از بهترین جایگزین‌های الکترولیت‌های مایع برای افزایش ایمنی باتری‌های ‌لیتیوم-یون (LIBs) هستند. مطابق پژوهش‌های انجام‌شده، استفاده از شبکه‌های دارای اتصالات عرضی به عنوان میزبان پلیمری در الکترولیت‌های پلیمری و همچنین اصلاح الکترولیت‌ها با افزودن گرو‌های دهنده الکترون، و نیز آلیاژسازی آن‌ها به‌عنوان روش‌های موثر در بهبود هدایت یونی و خواص الکتروشیمیایی مطرح هستند. در این کار، الکترولیت‌های پلیمری برپایه سلولز تهیه شدند. سپس، اثر عامل شبکه‌ای‌کننده کوتاه‌زنجیر (سیتریک اسید (CA)) و بلندزنجیر (پلی(وینیل الکل) (PVA)) بر روی هدایت یونی بررسی شد و خواص الکتروشیمیایی شبکه‌های پلیمری سنتزشده در دو حالت جامد و ژل مطالعه شدند. نتایج نشان دادند که اتصالات عرضی هدایت یونی الکترولیت‌های پلیمری جامد و ژل را بهبود بخشیده‌اند. الکترولیت ژل پلیمری (GPE) که توسط 1 درصد سیتریک اسید شبکه‌ای شده، رسانایی یونی بالاتری (S cm-1 10-4× 58/5 در دمای اتاق) نسبت به سایر الکترولیت‌های شبکه‌ای‌شده از خود نشان داد. GPE مربوطه عدد انتقال یون بالا (65/0)، پایداری الکتروشیمیایی بالا، و ظرفیت ویژه mAh g-1 41/212 در C 2/0 را از خود نشان داد. در ادامه برای بهبود خواص الکتروشیمیایی، سلولز از طریق پلیمریزاسیون RAFT، با پلی(پلی(اتیلن گلایکول) متیل اتر متاکریلات) (PEGMA) اصلاح شد. الکترولیت‌های تهیه‌شده خواص الکتروشیمیایی بهتری نسبت به نمونه سلولز خالص از خود نشان دادند. بر طبق نتایج، افزایش PEGMA منجر به افزایش هدایت یونی در هر دو حالت جامد و ژل شد. رسانایی یونی Cell-PEGMA90 در هر دو حالت جامد و ژل در دمای اتاق در محدوده S cm-1 10-3 به دست آمد. همچنین، فیلم‌های تهیه‌شده خواص الکتروشیمیایی خوبی از جمله عدد انتقال یون قابل توجه در محدوده 80/0-35/0، پنجره پایداری الکتروشیمیایی گسترده بالاتر از 5 ولت و ظرفیت‌های ویژه خوب (mAh g-1 235 در C 2/0) را ارائه کردند. سری دیگری از الکترولیت‌ها از طریق آلیاژکردن سلولز و پلی‌پيرول (PPy) تهیه شدند. نتایج نشان دادند که افزودن PPy به سلولز، به‌دلیل ایجاد حفره و همچنین به‌دلیل ثابت دی‌الکتریک بالای پلیمرهای رسانا منجربه افزایش رسانایی یونی شده است. تمام الکترولیت‌های سنتزشده، هدایت یونی مناسب (در محدوده S cm-1 10-3)، ظرفیت شارژ قابل‌توجه، عملکرد چرخه‌ای پایدار، پایداری الکتروشیمیایی بسیار عالی ( بالاتر از 8/4 ولت) و عدد انتقال کاتیون بالا بین 38/0 تا 66/0 برای سلولز خالص و نمونه حاوی 10 درصد وزنی PPy را از خود نشان دادند.

Polymer electrolytes are one of the best replacments to liquid electrolytes to increase the safety of lithium-ion batteries (LIBs). The use of cross-linked networks as a polymer host in polymer electrolytes, as well as the modification of electrolytes by adding electron-donating groups, as well as their alloying, are considered as effective methods for improving ionic conductivity and electrochemical properties. In this work, polymer electrolytes based on cellulose were prepared. Then, the effect of short-chain (citric acid (CA)) and long-chain (poly(vinyl alcohol) (PVA)) cross-linking agents on ionic conductivity and electrochemical properties of synthesized polymer networks in both solid and gel states have been studied. The results showed that cross-linking improved the ionic conductivity of solid and gel polymer electrolytes. Gel polymer electrolyte (GPE) crosslinked by 1% citric acid showed higher ionic conductivity (5.58 × 10-4 S cm-1 at room temperature) than other crosslinked electrolytes. The corresponding GPE was showed high ion transfer number (0.65), high electrochemical stability, and specific capacity of 212.41 mAh g-1 in 0.2 C. Then, to improve the electrochemical properties, cellulose was modified using poly(ethylene glycol) methyl ether methacrylate (PEGMA) through RAFT polymerization. The prepared electrolytes showed better electrochemical properties than the pure cellulose. According to the results, the increase of PEGMA led to the increase of ionic conductivity in both solid and gel states. The ionic conductivity of Cell-PEGMA90 in both solid and gel states at room temperature was obtained in the range of 10-3 S cm-1. Also, the prepared films presented good electrochemical properties including significant ion transfer number in the range of 0.35-0.80, wide electrochemical stability window above 5 V and good specific capacities (235 mAh g-1 at 0.2 C). Another series of electrolytes were prepared by alloying cellulose and PPy. The results showed that the addition of PPy to cellulose has led to an increase in ionic conductivity due to the creation of holes and also due to the high dielectric constant of conductive polymers. All synthesized electrolytes have good ionic conductivity (in the range of 10-3 S cm-1), significant charge capacity, stable cyclic performance, excellent electrochemical stability (above 4.8 V) and high cation transfer number between 0.38 - 0.66 for pure cellulose and the sample containing 10 % wt of PPy.

Synthesis of solid polymer electrolytes based on cellulose/conductive polymers for use in lithium-ion batteries

باتری یون لیتیوم

الکترولیت پلیمری

سلولز

شبکه‌ای‌کننده

باتری یون لیتیوم، الکترولیت پلیمری، سلولز، شبکه‌ای‌کننده، پلی(اتیلن اکساید)، پلیمر رسانا

Lithium-ion battery, polymer electrolyte, cellulose, crosslinker, PEGMA, conductive polymer

صفوی میرمحله، عارفه

سلامی کلجاهی

روغنی ممقانی

رضوانی مقدم

، مهدی

، حسین

، امیر

استاد راهنما

استاد مشاور

استاد مشاور

صنعتی سهند

ایران

دانشگاه صنعتی سهند

پلیمر، ۶۰۴۰۶، ۱۴۰۲

p

TF

92029

a

Y