تهیه پلیمرها با منشا طبیعی و بررسی امکان استفاده از آنها به عنوان الکترولیت جامد در باتری های لیتیمی و اثر حضور برخی نانو ذرات اکسیدی
Synthesis of natural-based polymers and exploring the possibility of their use as solid electrolyte in lithium batteries and the effect of some oxide nanoparticles
/سمیرا نعمت دوست
: شیمی
، ۱۳۹۹
، میرزائی
۱۸۷ص
چاپی - الکترونیکی
دکتری
شیمی آلی
۱۳۹۹/۰۷/۲۲
تبریز
هدف از انجام این پروژه تحقیقاتی تلاش برای بهبود بخشیدن به عملکرد باتریصهای لیتیمی قابل استفاده در تجهیزات الکترونیکی قابل حمل مانند موبایل، لپصتاپ، دوربین و ...است .در مقایسه باتریصهای لیتیمی با الکترولیت مایع، باتریصهای با الکترولیتصهای پلیمری) جامد یا ژل (در طیف گستردهصای از شکل، اندازه و ابعاد قابل تهیه هستند .این باتریصها طول عمر بیشتری داشته و از نظر ایمنی و زمان شارژ عملکرد بهتری دارند .الکترولیتصهای پلیمری جامد می توانند مشکل ایمنی مرتبط با الکترولیتصهای مایع، امکان نشت الکترولیت، تشکیل دندریت لیتیم و همچنین پایداری مکانیکی و تهیه فیلم نازک را برطرف کنند .مشکل اصلی الکترولیتصهای جامد، هدایت یونی پایین آنها در دمای اتاق نسبت به الکترولیتصهای مایع است که با طراحی و تهیه پلیمرهای با دمای شیشه ای پایین و میزان مشخصی از گروهصهای قطبی میصتوان هدایت یونی آنها را افزایش داد .در تهیه الکترولیتصهای پلیمری استفاده از پلیمرهای طبیعی) از جمله سلولز، -سیکلودکسترین، اسید لاکتیک و ( ... به عنوان پایه به همراه پلیمرهای سنتزی، به منظور کاهش هزینه ساخت باتری و همچنین زیست سازگار بودن آنها، از اهمیت زیادی برخوردار است .تاثیر مثبت حضور نانوذرات به علت افزایش میزان رسانندگی و تفکیک زوج یونها و افزایش جابجایی و تحرک یونی در باتری ها باعث به کارگیری نانوذرات در باتریها شده است .در این پروژه سعی بر آن شده کارکرد باتری لیتیمی، از طریق استفاده از الکترولیتصهای برپایه پلیمرهای طبیعی و سنتزی جدید، بهبود داده شود .تاثیر حضور نانو ذرات در بافت پلیمری در الکترولیت نیز مورد بررسی قرار گرفته است .پس از تهیه چهار پلیمر مختلف و انجام آنالیزهای مورد نیاز از جملهFTIR ،NMR ،XRD ،DSC ،TGA ،AFM ،SEM ، XPS و هر تکنیک مورد نیاز دیگر ساختار آنها مورد تایید قرار گرفته و کامپوزیت آنها با نمک LiTFSIدر حضور نرمصکننده Pry۱۴TFSI تهیه شده و به عنوان الکترولیت در سیستم آزمایشگاهی (battery cell) که برای بررسی کاربرد و ویژگیصهای این پلیمرها طراحی شده قرار گرفتهصاند .این پلیمرها با استفاده از تکنیک های مختلف الکتروشیمیایی مانند امپدانس الکتروشیمیایی، هدایت یون لیتیم، ولتامتری و چرخه ای و سایر آنالیزهای مورد نیاز برای الکترولیت باتری مورد بررسی و اندازه گیری قرار گرفته اند .از جمله پلیمر های سنتزی بر پایه پلیمرهای طبیعی، پلیمر ستارهصای شکل سیکلو دکسترین-پلی اتیلن اکسید است که میزان رسانندگی یونی برابر با۵-۱ ۱۰- S cm ۱/۵در دمای ۲۰ درجه سانتیگراد از خود نشان داده است .در صورت مقایسه این میزان رسانندگی یونی نسبت به دو پلیمر سنتزی دیگر پلیمر لاکتیک-کو-گلیکولیک اسید شبکهصای شده با Si و گرافت پلیمر سلولز-پلیصاتیلن اکسید که رسانندگی یونی به ترتیب برابر با۵-۱ ۱۰- S cm ۵/۳ و۶-۱ ۱۰- S cm ۱/۹ در دمای ۲۰ درجه سانتیگراد از خود نشان دادهصاند، با توجه به عدم کاربرد نرم کننده در این الکترولیت این میزان رسانندگی مقدار بهتری است که آن را به ساختار کاملا مشابه که با PEO دارد میتوان نسبت داد .بررسی تاثیر حضور نانوذرات در بافت پلیمر یکی دیگر از اهداف این کار پژوهشی بود .که به این منظور نانوذرات ZnO با پیوند کوالانسی به PEO متصل شدند .همانطور که انتظار میصرفت حضور ZnO باعث افزایش چشم گیر رسانندگی یونی شد و پلیمر هیبریدی نانو ذرات ZnO - پلیصاتیلن اکسید رسانندگی یونی در بهترین حالت با اتصال ۷ درصد وزنی از نانوذره مقدار۴-۱ ۱۰- S cm ۲/۴ در دمای ۲۰ درجه سانتیگراد را از خود نشان داد
C░ 10-4 S cm-1 at 20 and the hybrid polymer of ZnO-PEO with 7 wt ZnO showed a conductivity of 4.2 ،the presence of ZnO significantly increased the ionic conductivity ،ZnO nanoparticles were attached to PEO by covalent bonding. As expected ،which can be attributed to the structures quite similar to PEO. One other purpose of this study was to investigate the effect of the presence of nanoparticles in polymer matrix. For this purpose ،has indicated that this polymer showed better ionic conductivity ،C░ 10-6 S cm-1 at 20 10-5 S cm-1 and 9.1 3.5 ،respectively ،which showed ionic conductivities of ،C. Comparison of the ionic conductivity of these synthesized natural based polymers with the lactic-co-glycolic acid crosslinked polymer with Si and the cellulose-g-polyethylene oxide polymers░ 10-5 S cm-1 at 20 which have an ionic conductivity of 5.1 ،cyclo dextrin-polyethylene oxide are studdied ،the star-shaped polymer ،voltammetry and other analyzes required for battery electrolyte applications. Among the synthetic natural based polymers ،lithium ion conductivity ،these polymers have been investigated by using various electrochemical techniques such as electrochemical impedance ،their structure was confirmed and their composites with suitable lithium salts in the presence of softeners were prepared. The prepared composites were then used as electrolyte in a laboratory system (battery cell) designed to study the application and properties of these polymers. Finally ،XPS and any other required technique ،SEM ،AFM ،TGA ،DSC ،XRD ،NMR ،attempts were made to improve the performance of lithium batteries through the use of electrolytes based on new natural and synthetic polymers. The effect of the presence of nanoparticles in the polymer matrix in the electrolyte has also been investigated. After preparing the polymers and performing the required analyzes such as FTIR ،is of great importance. The positive effect of the presence of nanoparticles due to the increase in the conductivity and separation of ion pairs and the increase of ion displacement and mobility in batteries has led to the use of nanoparticles in batteries. In this project ،in order to reduce the cost of batteries and their biocompatibility ،etc.) as a base material along with the synthetic polymers ،lactic acid ،-cyclodextrin ،the use of natural polymers (including cellulose ،which can be overcome by design and synthesis of polymers with low glass temperature and a certain amount of polar groups. In the preparation of polymer electrolytes ،as well as mechanical stability and the formation of thin films. The main challenge in solid electrolytes is their low ionic conductivity at lower temperatures compared to liquid electrolytes ،the formation of lithium dendrites ،the possibility of electrolyte leakage ،sizes and dimensions. These batteries have a longer lifespan and perform better in terms of safety and charging time. Solid polymer electrolytes can solve the safety problem associated with liquid electrolytes ،batteries with polymer electrolytes (solid or gel) are available in a wide range of shapes ،etc. Compared to lithium batteries with liquid electrolytes ،cameras ،laptops ،The main aim of this research is to try to improve the performance of lithium batteries that can be used in portable electronic equipments such as mobile phones
Synthesis of natural-based polymers and exploring the possibility of their use as solid electrolyte in lithium batteries and the effect of some oxide nanoparticles