سنتز کربن سخت به عنوان آند باتری یون لیتیوم

باتری های یون لیتیوم امروزه به عنوان یکی از ابزارهای پرکاربرد ذخیره انرژی مطرح هستند. با این که این سامانه ها نسبت به سایر باتری ها قابلیت بیشتری در ذخیره انرژی دارند اما هنوز ظرفیت آن ها جهت استفاده در سامانه هایی نظیر اتومبیل های هیبرید الکتریکی کافی نیست. طول عمر و توان به نسبت پایین آند گرافیتی این باتری ها نیز مانع دیگری بر سر راه استفاده فراگیر از آن هاست. در این میان کربن های سخت با داشتن ویژگی های عملکردی همچون انرژی، توان و طول عمر بالا یک جایگزین مناسب برای کربن گرافیتی به نظر می رسند. در این پایان نامه ابتدا آسفالتن موجود در قیر نفتی با استفاده از حلال نرمال هپتان جدا گردید. سپس با استفاده از دو روش اکسایش در فاز گازی توسط اکسیژن و اکسایش در فاز مایع توسط نیتریک اسید، آسفالتن سخت شده و به منظور کربنه نمودن تا دماهای نهایی 600 تا ?c 1100 در اتمسفر بی اثر حرارت داده شد. نمونه های کربنی حاصل از اکسایش با اکسیژن و نیتریک اسید به ترتیب ooacx و noacx نامیده شدند (x=600, 700, …, 1100 ?c). نتایج تست chns نشان داد که با افزایش دما نسبت اتم های هیدروژن به کربن کاهش می یابد که ناشی از افزایش میزان اتصال عرضی با افزایش دما است. داده های پراش اشعه ایکس نشان داد که اولاً فاصله بین لایه های گرافنی در تمامی نمونه های کربنی نسبت به گرافیت بیشتر بود و ثانیاً اندازه بلورک های کربنی کمتر از یک نانومتر بود. همچنین نمونه های ooacx نسبت به noacx دارای اندازه بلورک های کوچکتری بودند. تست شارژ- دشارژ نمونه های کربنی در مقابل لیتیم نشان داد که ظرفیت همه نمونه ها بیشتر از mcmb بود. همچنین نمونه های ooac700 و noac800 در نوع خود دارای بیشترین ظرفیت بودند. با انجام ده سیکل شارژ- دشارژ مشخص شد که در انتها نمونه های کربنی ظرفیتی بالاتر از 100 میلی آمپرساعت بر گرم داشتند، در حالی که ظرفیت الکترود حاوی mcmb به کمتر از این مقدار رسید. با مقایسه ظرفیت سیکل دهم مشخص گردید که الکترود حاوی ooac700 دارای بیشترین ظرفیت (302 میلی آمپرساعت بر گرم) بوده و راندمان کولنی آن % 98 بود. انجام تست الکتروشیمیایی جهت به دست آوردن ظرفیت کامل بر روی الکترودهای منتخب حاوی ooac700 و noac800 (با ظرفیت کامل شارژ به ترتیب 1573 و 1365 میلی آمپرساعت بر گرم) نشان دهنده این مطلب بود که ظرفیت شارژ جریان ثابت این نمونه ها وابستگی به جریان شارژ ندارد. همچنین مشخص گردید که هر دو نمونه دارای ظرفیت زیادی در پتانسیل نزدیک صفر هستند که نشان دهنده وجود میکروحفرات در آن هاست. نسبت کربن به لیتیم برای همه نمونه های کربنی کمتر از 6 (نسبت مربوط به گرافیت) بود و برای دو نمونه ooac700 و noac800 در حالت شارژ کامل به ترتیب 38/1 و 59/1 بود که نشان دهنده ظرفیت بالای این نمونه ها در ذخیره سازی یون لیتیم است.