بررسی اثر گرافن اکسید بر مورفولوژی و خواص الکتروشیمیایی الکترولیت‌های پلیمری بر پایه پلیمر پلی‌وینیلیدین‌فلورید برای باتری‌های یون-لیتیوم

نوع مقاله: مقاله علمی پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مستقل شیمی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران

2 گروه مستقل شیمی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران پژوهشکده انرژی‌های تجدیدپذیر، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران

10.22075/chem.2020.16226.1539

چکیده

الکترولیت‌های پلیمری با توجه به انعطاف پذیری ساختاری، عدم نشست پذیری و افزایش ایمنی در باتری یون لیتیوم مورد مطالعه قرار گرفته اند. پلیمر پلی وینیلیدین فلورید (PVDF) یک پلیمر نیمه بلوری است که به علت ویژگی های مطلوب خود کاندید مناسب برای ساخت الکترولیت های پلیمری محسوب می شود.اگرچه الکترولیت‌های پلیمری دارای هدایت یونی پایین هستند. در این پژوهش به منظور رفع این مشکل و بهبود هدایت یونی، افزودنی بهبود دهنده گرافن اکسید (GO) مورد بررسی قرار گرفت. . بهینه‌سازی این نانوذره با استفاده از مورفولوژی، مقاومت کششی، هدایت یونی، عداد انتقال لیتیوم و پایداری الکتروشمیایی صورت گرفت. تصاویر حاصل از میکروسکوپ الکترونی ساختار متخلخل‌تر الکترولیت‌های حاوی نانوصفحات را در قیاس با الکترولیت خالص نشان دادند همچنین با افزودن مقدار بهینه از ) %004/0 (GO هدایت یونی الکترولیت پلیمری به mS cm-1 60/3 و عدد انتقال یون لیتیوم 74/0 می‌رسد در همین حال پایداری الکتروشیمیایی به مقدار V5/4 می‌رسد. نتایج این پژوهش نشان داد که GO نه تنها هدایت یونی را افزایش می دهد، بلکه خصوصیات فیزیکی غشای پلیمری را نیز بهبود می‌بخشد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Investigating effect of Graphene Oxide on the morphology and electrochemical properties of Polymer Electrolyte based on Poly(vinylidenefluoride) for lithium-ion batteries

نویسندگان [English]

  • Maral Fouladvand 1
  • Leila Naji 1
  • Mehran Javanbakht 2
1 Department of Chemistry, Amirkabir University of Technology (Polytechnic), Tehran
2 Department of Chemistry, Amirkabir University of Technology (Polytechnic), Tehran Renewable Energy Research Center, Amirkabir University of Technology (Polytechnic), Tehran
چکیده [English]

Solid polymer electrolytes (SPEs) show good structural flexibility and safety to meet the requirements of lithium-ion battery applications. Poly(vinylidene fluoride) (PVDF) is a semi-crystalline polymer which due to its desirable has been considered as promising candidate for fabrication of polymer electrolytes in Li-ion batteries. PEs usually have a low ionic conductivity at room temperature. In this study, in order to eliminate this problem and improve the ionic conductivity improving additives of lithium-ion battery graphene oxide (GO) were investigated. Then, the additive amount was optimized using the Morphology, Tensile strength, ionic conductivity, Li+ ion transference number and electrochemical stability, which determined the optimal amount of (GO). SEM images were shown that SPEs containing GO have more porosity in comparison with GPE without GO. By adding 0.004 wt% GO, the ionic conductivity of the PVDF/GO polymer electrolyte was increased significantly to 3.60 mS cm-1 for the composite and the transference number of Li+ ion was also increased to 0.74. The electrochemical stability of 4.6 V was achieved. The results show that GO not only increased the ionic conductivity of composite membrane but also improved the physical properties of the polymer electrolyte. This study shows that the PVDF/GO polymer electrolyte can be considered as a promising SPE for lithium ion batteries.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Lithium-ion battery
  • Polymer electrolytes
  • Poly (vinylidenefluoride)
  • Graphene Oxide
  • Casting solution
[1] X. Su, Q. Wu, J. Li, X. Xiao, A. Lott, W. Lu, B.W. Sheldon and J. Wu, Advanced Energy Materials 4 (2014) 1300882.
[2] L. Cheng, X.-L. Li, H.-J. Liu, H.-M. Xiong, P.-W. Zhang and Y.-Y. Xia, Journal of The Electrochemical Society 154 (2007) A692.
[3] D. Larcher and J.M. Tarascon, Nature Chemistry 7 (2014) 19.
[4] A.S. ARICÒ, P. BRUCE, B. SCROSATI, J.-M. TARASCON and W.V. SCHALKWIJK, Materials for Sustainable Energy, 148.
[5] V. Etacheri, R. Marom, R. Elazari, G. Salitra and D. Aurbach, Energy & Environmental Science 4 (2011) 3243.
[6] L. Long, S. Wang, M. Xiao and Y. Meng, Journal of Materials Chemistry A 4 (2016) 10038.
[7] E. McCalla, A.M. Abakumov, M. Saubanère, D. Foix, E.J. Berg, G. Rousse, M.-L. Doublet, D. Gonbeau, P. Novák, G. Van Tendeloo, R. Dominko and J.-M. Tarascon, Science 350 (2015) 1516.
[8] D.E. Fenton, Polymer 14 (1973) 589.
[9] W.-S. Young, W.-F. Kuan and Epps, Thomas H., Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics 52 (2014) 1.
[10] R. Miao, B. Liu, Z. Zhu, Y. Liu, J. Li, X. Wang and Q. Li, Journal of Power Sources 184 (2008) 420.
[11] J. Zhang, N. Zhao, M. Zhang, Y. Li, P.K. Chu, X. Guo, Z. Di, X. Wang and H. Li, Nano Energy 28 (2016) 447.
[12] D.-W. Kim, J.-K. Park and H.-W. Rhee, Solid State Ionics 8 (1996) 41.
[13] S. Abbrent, J. Lindgren, J. Tegenfeldt and Å. Wendsjö, Electrochim. Acta 43 (1998) 1185.
[14] Q. Shi, M. Yu, X. Zhou, Y. Yan and C. Wan, Journal of Power Sources 103 (2002) 286.
[15] L. Fan, C.-W. Nan and Z. Dang, Electrochimica Acta 47 (2002) 3451.
[16] G. Jiang, S. Maeda, Y. Saito, S. Tanase and T. Sakai, Journal of The Electrochemical Society 152 (2005) A767.
[17] J. Zhang, X. Zang, H. Wen, T. Dong, J. Chai, Y. Li, B. Chen, J. Zhao, S. Dong, J. Ma, L. Yue, Z. Liu, X. Guo, G. Cui and L. Chen, Journal of Materials Chemistry A 5 (2017) 4940.
[18] W.K. Chee, H.N. Lim, N.M. Huang and I. Harrison, RSC Advances 5 (2015) 68014.
[19] X. Yang, F. Zhang, L. Zhang, T. Zhang, Y. Huang and Y. Chen, Advanced Functional Materials 23 (2013) 3353.
[20] C. Wang, W. Shen, J. Lu and S. Guo, Ionics 23 (2017) 2045.
[21] A. Rahmanian, L. Naji and M. Javanbakht, Solid State Ionics 326 (2018) 27.
[22] A. Sil, R. Sharma and S. Ray, Surface and Coatings Technology 271 (2015) 201.
[23] S. Abbrent, J. Plestil, D. Hlavata, J. Lindgren, J. Tegenfeldt and Å. Wendsjö, Polymer 42 (2001) 1407.
[24] M.Z. Kufian, M.F. Aziz, M.F. Shukur, A.S. Rahim, N.E. Ariffin, N.E.A. Shuhaimi, S.R. Majid, R. Yahya and A.K. Arof, Solid State Ionics 208 (2012) 36.
[25] Q. Xiao, X. Wang, W. Li, Z. Li, T. Zhang and H. Zhang, Journal of Membrane Science 334 (2009) 117.
[26] J. Zhang, Z. Xu, M. Shan, B. Zhou, Y. Li, B. Li, J. Niu and X. Qian, Journal of Membrane Science 448 (2013) 81.
[27] R. Mukherjee, P. Bhunia and S. De, Chemical Engineering Journal 292 (2016) 284.
[28] L. Suo, Y.-S. Hu, H. Li, M. Armand and L. Chen, Nature communications 4 (2013) 1481.
[29] W. Jia, Z. Li, Z. Wu, L. Wang, B. Wu, Y. Wang, Y. Cao and J. Li, Solid State Ionics 315 (2018) 7.
[30] K.M.G. Francis, S. Subramanian, K. Shunmugavel, V. Naranappa, S.S.M. Pandian and S.C. Nadar, Polymer-Plastics Technology and Engineering 55 (2016) 25.
[31] M.S. Khan and A. Shakoor, Journal of Chemistry 2015 (2015) 1.
[32] M.R. Mousavi, M. Rafizadeh and F. Sharif, Iranian Polymer Journal 25 (2016) 525.
[33] M. Kammoun, S. Berg and H. Ardebili, Nanoscale 7 (2015) 17516.
[34] Z. Yusong, X. Shiying, S. Yi, Y. Yaqiong, H. Yuyang and W. Yuping, Advanced Energy Materials 4 (2014) 1300647.
[35] Y.-C. Lu, B.M. Gallant, D.G. Kwabi, J.R. Harding, R.R. Mitchell, M.S. Whittingham and Y. Shao-Horn, Energy & Environmental Science 6 (2013) 750.
[36] J. Liu, X. Wu, J. He, J. Li and Y. Lai, Electrochim. Acta 235 (2017) 500.
[37] M.Y. Zhang, M.X. Li, Z. Chang, Y.F. Wang, J. Gao, Y.S. Zhu, Y.P. Wu and W. Huang, Electrochim. Acta 245 (2017) 752.
[38] F. Deng, X. Wang, D. He, J. Hu, C. Gong, Y.S. Ye, X. Xie and Z. Xue, J. Membr. Sci. 491 (2015) 82.
[39] S.M. Seidel, S. Jeschke, P. Vettikuzha and H.D. Wiemhöfer, Chemical Communications 51(2015) 12048.