تاثیر اکسیدهای نئودیم و ایتریم بر خواص ساختاری و الکتروشیمیایی کامپوزیت LiFePO4/C سنتز شده به روش حالت جامد به‌منظور کاربرد به‌عنوان کاتد باتری لیتیوم یون

محورهای موضوعی : فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین

محمد علی امیدی فر ¹ , بابک هاشمی ^{2 *} , محسن بابایی ³

1 - کارشناسی ارشد، بخش مهندسی مواد، دانشکده مهندسی، دانشگاه شیراز
2 - استاد، بخش مهندسی مواد، دانشکده مهندسی، دانشگاه شیراز
3 - استادیار پژوهشکده مکانیک، پژوهشگاه فضایی ایران

تاریخ دریافت : 1400/02/10 تاریخ پذیرش : 1400/02/20 تاریخ انتشار : 1399/12/01

کلید واژه: الکتروشیمیایی, ایتریم, باتری لیتیوم یون, حالت جامد, نئودیم, LiFePO4,

چکیده مقاله :

امروزه باتری‌های قابل شارژ مانند باتری‌های لیتیوم یون در صنایع مختلف به‌کار گرفته شده است. در این باتری‌ها مسأله مهم ایجاد چگالی انرژی و چگالی توان بالا می‌باشد. از جمله عوامل مؤثر بر این موضوع نوع کاتد بکار رفته در ساخت باتری‌های لیتیم یون می باشد. یکی از ترکیبات مورد توجه در سال‌های اخیر ماده کاتدی LiFePO₄ است. در این پژوهش ماده کاتدی LiFePO₄ به روش حالت جامد از مواد اولیه (NH₄)H₂PO₄، FeC₂O₄.2H₂O، Li₂CO₃ سنتز گردید و به‌ منظور بهبود نفوذ ضعیف یون لیتیوم و افزایش ظرفیت باتری در نرخ‌های بالای شارژ/ دشارژ عناصر ایتریم و نئودیم به ترکیب اضافه گردید. در این پژوهش از آنالیز TGA-DTA برای بررسی دماهای انجام واکنش تجزیه مواد اولیه و هم‌چنین تعیین دمای سنتز ترکیب، از تصاویر SEM به­منظور بررسی ریزساختار و مورفولوژی ذرات و از آزمون‌های طیف‌سنجی امپدانس الکتروشیمایی، ولتامتری چرخه‌ای و سیکل‌های شارژ/ دشارژ به‌ منظور بررسی رفتار الکتروشیمیایی نمونه‌های مورد آزمایش استفاده شده است. با توجه به نتایج تحقیق مشخص گردید سنتز دو مرحله‌ای ترکیب LiFePO₄  همراه با درصدهای بهینه اکسیدهای ایتریم و نئودیم به‌عنوان دوپنت می‌ تواند هدایت الکتریکی و یونی ماده را بهبود ­بخشد. از بین نمونه­های سنتز شده با درصدهای متفاوت ایتریم و نئودیم نمونه LiFe_99.54Y_0.4Nd_0.06PO₄/C با عملکرد الکتروشیمیایی و ریزساختار مناسب و بیشترین ظرفیت نهایی mAh/g 113  به­عنوان نمونه بهینه انتخاب گردید.

چکیده انگلیسی:

Rechargeable batteries such as lithium ion batteries have been used in various industries. In these batteries, the important issue is high energy and power density. One of the important factors affecting this issue is cathode material. LiFePO4/C has been interested as an excellent compounds in recent years. In this study, LiFePO4/C was synthesized by solid state method from raw materials (NH4) H2PO4, FeC2O4.2H2O, Li2CO3 and super pure carbon and in order to improve the weak diffusion of lithium ion and increase the battery capacity at high charge/discharge rates, yttrium and neodymium were added to the LiFePO4/C composite. In this study, TGA-DTA analysis was used to investigate the reaction temperatures of the raw materials and also to determine the synthesis temperature of the compound. SEM images were used to study the microstructure and morphology of the particles and impedance, cycling and cyclic voltammetry tests were used to investigate the electrochemical behavior of the samples. According to the results of this study, it was found that two-step synthesis of the doped samples with yttrium and neodymium ions improves ionic and electrical conductivity of the samples. From the samples synthesized with different percentages of yttrium and neodymium, LiFe99.54Y0.4Nd0.06PO4/C sample with the best electrochemical performance and maximum capacity (113 mAh/g) was selected as the optimal sample.