عنوان

بررسی اثر حلال های اتکتیک عمیق روی خواص ترمودینامیکی، انتقالی و پنجره الکتروشیمیایی محلول های نمک لیتیوم در حلال آلی

پ۲۵۸۶۵

per

بررسی اثر حلال های اتکتیک عمیق روی خواص ترمودینامیکی، انتقالی و پنجره الکتروشیمیایی محلول های نمک لیتیوم در حلال آلی

اسماء صدرموسوی دیزج

شیمی

۱۴۰۰

۱۷۱ص.

سی دی

دکتری

شیمی فیزیک

۱۴۰۰/۰۹/۲۴

چکیده: حلال¬های آلی که در صنایع مختلف از جمله در ساخت الکترولیت باتری¬های لیتیوم-یون مورد استفاده قرار میگیرند، مضرات فراوانی برای طبیعت دارند. بنابراین جایگزین کردن یک حلال سبز به جای حلال¬های آلی چالش اساسی را میطلبد. یکی از بهترین حلال¬های شیمی سبز که می¬تواند جایگزین حلال¬های آلی و مایعات یونی شود، حلال¬های¬ اتکتیک عمیق می¬باشد به همین منظور در این رساله خواص ترمودینامیکی با استفاده از روش¬های حجم سنجی، تراکم پذیری و ویسکومتری سه نوع نمک لیتیوم (لیتیوم پرکلرات، لیتیوم نیترات و لیتیوم هگزا فلوئوروفسفات) همراه با پروپیلن کربنات و چهار نوع حلال اتکتیک عمیق (کولین کلراید/ اتیلن گلیکول، کولین کلراید/ مالونیک اسید، کولین کلراید/ لاکتیک اسید و کولین کلراید/ پروپانوئیک اسید) در کسرهای جرمی 05/0، 10/0 و 15/0 حلال¬های اتکتیک عمیق و مولالیته¬های متفاوت نمک¬های لیتیوم و در دماهای 15/288، 15/298، 15/308 و 15/318 کلوین مورد بررسی واقع شده است. با استفاده از نتایج بدست آمده برهم¬کنش¬های موجود مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. نتایج حجم سنجی و تراکم ¬پذیری نشان دادند که که افزودن حلال اتکتیک عمیق سبب تقویت برهم¬کنش¬های موجود می¬شود. همچنین افزایش دما و افزایش غلظت حلال¬های اتکتیک عمیق سبب بهبود در برهم¬کنش¬های موجود می¬شود. نتایج حجم سنجی نشان داد که برهم¬کنش¬های غالب در دمای 15/298 کلوین و غلظت 15/0حلال اتکتیک عمیق بین نمک لیتیوم پرکلرات و لیتیوم نیترات با پروپیلن کربنات و حلال اتکتیک عمیق ChCl/LA اتفاق افتاده است اما برهم-کنش¬های غالب بین نمک لیتیوم هگزا فلوئوروفسفات با پروپیلن کربنات و حلال اتکتیک عمیق ChCl/EG اتفاق می-افتد. همچنین نشان داده شده است که برهم¬کنش غالب در سیستم¬های مورد مطالعه از نوع یون-قطبی است. نتایج ویسکوزیته نشان دادند که ویسکوزیته محلول¬های حاوی حلال اتکتیک عمیق ChCl/ PA کمتر از محلول¬های حاوی دیگر حلال¬های اتکتیک عمیق مورد مطالعه است. در قدم بعدی سعی شد اطلاعات مربوط به این برهم¬کنش¬ها از طریق محاسبات شیمی کوانتومی و دینامیک مولکولی مورد مطالعه قرار گیرد. این مطالعات جهت فهم بهتر و عمیق¬تر از نتایج آزمایشگاهی و برهم¬کنش¬های موجود در محلول¬های مورد مطالعه روی این سیستم¬ها انجام گردید و نتایج آن¬ها با نتایج قسمت تجربی رساله مقایسه گردید. محاسبات شیمی کوانتومی با استفاده از نرم افزار گوسین09 و شبیه سازی دینامیک مولکولی با استفاده از نرم افزار متریالز استودیو انجام گرفت. در بیشتر سیستم¬¬های مورد مطالعه نتایج قسمت تجربی تایید شد. در نهایت جهت مقایسه حلال¬های اتکتیک عمیق، تغییر در پنجره الکتروشیمیایی این حلال¬ها با کسر جرمی 10/0 حلال اتکتیک عمیق همراه با پروپیلن کربنات با روش¬های ولتامتری بررسی شد. حلال اتکتیک عمیق کولین کلراید/ اتیلن گلیکول همراه با پروپیلن کربنات پنجره الکتروشیمیایی وسیع¬تری از بقیه الکترولیت¬های مورد مطالعه داشت ولی در کل پنجره الکتروشیمیایی هر چهار محلول بررسی شده برای استفاده در صنایع الکتروشیمیایی مساعد بود.

Abstract: The organic solvents, commonly used in most industrial plants, have various harmful environmental impacts. One of the promising applications for these solvents is their utilization in the structure of electrolytes for lithium-ion batteries. However, currently, these applications are very limited because of their disadvantages like low flush point, being explosive and so on. Therefore, there is great attention to replacing the toxic, harmful solvents with green solvents; one candidate for this purpose is the so-called "Deep Eutectic Solvents" (DESs). DESs are inexpensive, recyclable, with low vapour pressure and high heat capacity. Thus, they have attracted the attention of researchers in various fields such as pharmaceuticals, catalysis, electrochemistry and etc. Therefore, the study of their thermodynamic properties is of great interest. Herein, the study of volumetric, compressibility and viscometric properties of three types of lithium salts (lithium perchlorate, lithium nitrate and lithium hexafluorophosphate) with propylene carbonate and four types of deep eutectic solvents (choline chloride/ ethylene glycol, choline chloride / malonic acid, choline chloride / lactic acid and choline chloride / propanoic acid) at mass fractions of deep eutectic solvents (wDES = 0.05, 0.10 and 0.15) and different molalities of lithium salts at T = (288.15-318.15) K are the main aims of this research. The interactions between lithium salts with PC and DESs were analyzed based on the results of the study of their thermodynamical properties. It was concluded that the addition of deep eutectic solvents strengthens the existing interactions between lithium salts and PC and DESs. Also, increasing the temperature and increasing the concentration of deep eutectic solvents improves the existing interactions. In the next step, quantum calculations and Molecular dynamics simulations were done to earn information about the interactions studied in the experimental section. Quantum calculations were performed using Gaussian 09 software and molecular dynamics simulations were performed using the Materials Studio. The results of the computational section were compared with the results of the experimental section of this dissertation. In most of the systems, the results of the experimental were confirmed with computational studies. Finally, the electrochemical windows of these deep eutectic solvents with wDES = 0.15 mass fraction of deep eutectic solvents with propylene carbonate were investigated by the linear sweep voltammetry method. The linear sweep voltammetry results show the electrochemical window of all four solutions were proper for electrochemical applications and choline chloride/ethylene glycol with propylene carbonate had a wider electrochemical window than the other studied electrolytes.

Investigating the effect of deep eutectic solvents on thermodynamic, transport and electrochemical window properties of lithium salt solution in organic solvent

‏صدرموسوی دیزج،

‏اسماء

تهيه کننده

‏ زعفرانی معطر،

شکاری،

اصغری،

قدری،

‏ محمد تقی

‏ حمایت

‏ الناز

‏ رحیم

استاد راهنما

استاد راهنما

استاد مشاور

استاد مشاور

‏ تبریز