بررسی رفتار الکتروشیمیایی کامپوزیت نانوالیاف کربن/ اکسید منگنز به عنوان یک ماده ذخیره کننده انرژی

باتری های یون لیتیم یکی از منابع مناسب تامین انرژی برای وسایل الکترونیکی قابل حمل و خودروهای الکتریکی هستند. در حال حاضر باتری های یون لیتیم تجاری از کربن به عنوان ماده آند استفاده می کنند که ظرفیت پایینی دارد و نیاز است که ظرفیت ماده آند به مرز mah/g 1000 نزدیک شود . از طرف دیگر لازم است که استفاده از ماده مزبور از نظر اقتصادی نیز مقرون به صرفه باشد. اکسیدهای منگنز یکی از گزینه های مناسب هستند که هم به عنوان کاتد و هم به عنوان آند در باتری های یون لیتیم استفاده شده اند. اکسیدهای منگنز هم رفتار سیکلی و ظرفیت ذخیره لیتیم خوبی داشته و هم در دسترس و ارزان هستند. از طرفی اکسید های منگنز دارای هدایت پایین و افت ظرفیت زیاد در سیکل اول هستند. در این تحقیق، برای رفع این مشکل از کامپوزیت اکسید منگنز/نانوالیاف کربن فعال استفاده شد. نانوالیاف مورد استفاده به روش الکتروریسی از محلول پلی اکریلونیتریل/دی متیل فرمامید توسط یک دستگاه دست ساز تولید شده و سپس در دمای 850 درجه سانتیگراد و در اتمسفر نیتروژن پیرولیز شدند. قطر نانوالیاف کربن طبق آنچه که میکروسکوپ الکترونی روبشی (sem) نشان داد، برابر با 250-150 نانومتر بود. اکسید منگنز به روش الکترولس از یک محلول آبی پرمنگنات روی سطح نانوالیاف کربن فعال پوشش داده شد و اثر دو پارامتر ph محلول الکترولس و زمان پوشش دهی بر مورفولوژی، ضخامت و یکنواختی پوشش اکسید منگنز در داخل شبکه نانوالیاف کربن فعال بررسی شد. یکنواختی و رفتار سینتیکی رسوب اکسید منگنز به شدت به ph محلول پرمنگنات وابسته بود به طوری که در ph اسیدی یک لایه ضخیم از اکسید منگنز سطح خارجی نانوالیاف را می پوشاند ولی در ph خنثی، واکنش خود محدود کننده تجزیه پرمنگنات منجر به تشکیل یک پوشش یکنواخت و در ضخامت نانومتری از اکسید منگنز روی تمام سطح نانوالیاف کربن فعال تشکیل می شود. ضخامت اکسید منگنز رسوبی از 30 نانومتر در 1 دقیقه پوشش دهی تا 200 نانومتر در 20 ساعت پوشش دهی متغیر است و رفتار سینتیکی رسوب اکسید منگنز در زمان های مختلف پوشش دهی از تابع لگاریتمی پیروی کرد. آزمون کرونوپتانسیومتری نشان داد که پوشش اکسید منگنز منجر به ظرفیت بیشتر نانوالیاف کربن فعال می شود به طوری که ظرفیت ذخیره سازی لیتیم در نانوالیاف کربن بدون پوشش در سیکل اول mah/g 190 بوده که با پوشش دادن نانوالیاف کربن فعال توسط اکسیدمنگنز ظرفیت آن به mah/g 850 افزایش می یابد. یکی از دلایل افت ظرفیت در باتری های یون لیتیم خرد شدن و شکست ماده آند و کاتد در اثر تنش های ناشی از نفوذ لیتیم در ساختار آنها است. در این پروژه با استفاده از مدلسازی مشابه حرارتی تنش های ناشی از نفوذ، تنش های وارد شده به ساختار ماده در اثر ورود لیتیم و همچنین پروفیل غلظتی متاثر از این تنش ها محاسبه شدند. مدل تنش های ناشی از نفوذ روی دو هندسه کروی و استوانه ای و با فرض وجود یک شار نفوذی ثابت از یون های لیتیم روی سطح انجام شد و نشان داده شد که تنش های ناشی از نفوذ در هندسه استوانه ای کمتر از هندسه کروی است. نتایج شبیه سازی نشان داد که هر چه ابعاد ذره کوچکتر و نرخ شارژ/دشارژ کمتر باشند، تنش های ناشی از نفوذ نیز کمتر می شود.