×

منوی بالا

منوی اصلی

دسترسی سریع

اخبار سایت

اخبار ویژه

امروز : یکشنبه, ۱۳ آذر , ۱۴۰۱  .::.  اخبار منتشر شده : 0 خبر

خواندن این مطلب ۴ دقیقه زمان میبرد

Print Friendly, PDF & Email

 

 

چکیده

مرجع پلیمر در بازار ایران (پلیم پارت) : باتری‌های لیتیوم-یون به دلیل چگالی انرژی بالا، فناوری­‌های امیدوارکننده‌­­ای برای ذخیره‌­سازی انرژی در مقیاس بزرگ هستند. با ­این حال، نگرانی­‌هایی درمورد ایمنی باتری­‌های لیتیوم-یون سنتی بخاطر استفاده از الکترولیت­‌های قابل اشتعال برپایه مواد آلی، کاربرد عملی آنها را به­ شدت مختل نموده است. مایعات یونی (ILs) نمک‌­های مذابی هستند که نقطه ذوب آنها کمتر ­از ۱۰۰درجه سانتیگراد است. خواص فیزیکوشیمیایی منحصر­ به­‌فرد مایعات یونی شامل گستره پایداری الکتروشیمیایی، هدایت یونی بالا، پایداری حرارتی برتر و غیرقابل ­اشتعال بودن است. مایعات یونی به­‌عنوان اجزای الکترولیت، عملکرد ایمنی و الکتروشیمیایی بهبودیافته‌­ای را در باتری­‌های لیتیوم-یوم از خود نشان داده‌­اند. این مقاله توسعه اخیر مایعات یونی و الکترولیت­‌های مبتنی­‌بر مایعات یونی را از نظر خواص فیزیکوشیمیایی، توانایی تشکیل فصل مشترک و عملکرد الکتروشیمیایی در باتری­های لیتیوم-یون خلاصه می‌نماید. کاربرد­های الکترولیت­‌های مبتنی­‌بر مایع یونی خالص، الکترولیت­‎‌های هیبریدی مایع یونی و الکترولیت‌های مایع یونی حالت جامد (شبه جامد) به تفصیل مورد ­بحث قرار گرفته­‌اند. درنهایت چالش­‌ها و دیدگاه­‌های کاربرد الکترولیت­‌های مبتنی­‌بر مایع یونی در باتری­‌های لیتیوم-یون نیز برای پیشرفت­‌های آینده ارائه شده‌­اند.

 

نتیجه­‌گیری و چشم‌­انداز

برای دستیابی به عملکردهای الکتروشیمیایی بهبودیافته ازجمله چگالی انرژی بالا، چرخه عمر طولانی و ایمنی، تحقیقات فشرده­‌ای بر توسعه الکترولیت­‌های مبتنی­‌بر مایع یونی (IL)[1] برای باتری­‌های لیتیوم–یون، اختصاص یافته ­است. در این بررسی، پیشرفت‌های اخیر در توسعه الکترولیت‌های مبتنی بر IL برای باتری‌های لیتیوم-یون خلاصه شده است. خواص فیزیکوشیمیایی، ساختار و کاربرد الکترولیت‌­های مختلف مبتنی‌­بر IL به­‌طور سیستماتیک مورد بحث قرار گرفته است. به‌­طور معمول خواص فیزیکوشیمیایی الکترولیت‌­های مبتنی‌­بر IL توسط ترکیب شیمیایی و برهمکنش­‌های یونی جفت­‌های آنیون/کاتیون تعیین می­‌گردند. IL­ها غیرقابل اشتعال بوده و پایداری حرارتی بسیار خوبی را از خود نشان­ می‌­دهند و دمای شروع تجزیه را بالاتر از ۲۰۰ درجه سانتیگراد نشان می­‌دهند که عملکرد الکتروشیمیایی برتر باتری‌­های لیتیوم-یون را در محدوده دمایی بالا تضمین می‌­نماید. علاوه‌­بر این بسیاری از الکترولیت­‌های مبتنی‌­بر IL دارای دامنه گسترده‌­تری از پایداری الکتروشیمیایی نسبت به الکترولیت‌های مبتنی‌­بر مواد تجاری آلی هستند که همین مسئله به الکترولیت­های IL اجازه می­دهد با مواد کاتدی ولتاژ بالا مطابقت داشته­ باشد. علاوه براین طراحی منطقی الکترولیت‌­های هیبریدی بر پایه IL از جمله الکترولیت هیبریدی حلال آلی-IL، الکترولیت مبتنی‌­بر IL مخلوط کاتیون/آنیون، و الکترولیت هیبریدی آب-IL می­‌تواند عملکرد الکتروشیمیایی (شامل ویسکوزیته، رسانایی، توانایی تشکیل  جامد الکترولیتی SEI))[2] و …)، را افزایش‌­دهد که این امر برای باتری‌­های لیتیوم-یون مختلف نویدبخش است.

علی­‌رغم مزایای موجود، باید برای کاربرد عملی الکترولیت‌­های برپایه IL بر چالش­‌ها غلبه گردد. اولاً، اگرچه می‌­توان دامنه پایداری الکتروشیمیایی نسبتاً وسیعی را با استفاده ­از الکترولیت‌­های مبتنی­‌بر IL به‌دست آورد، ولی همچنان پایداری الکتروشیمیایی برخی از الکترولیت‌­های مبتنی‌­بر IL (به‌عنوان مثال الکترولیت مبتنی‌­بر ایمیدازولیوم[۳]) در­ محدوده پایین کاتدی، مشکل‌­ساز است. از آنجایی که پایداری الکتروشیمیایی الکترولیت مبتنی‌­بر IL با کاتیون‌­ها/ آنیون‌­ها و ترکیب آنها مرتبط است، بررسی بیشتر در مورد ساختار و ترکیب کاتیون­‌ها/ آنیون‌­ها برای ایجاد الکترولیت‌­های مبتنی‌­بر IL با مقاومت کاهنده افزایش یافته و تحرک یونی بهبودیافته، ضروری می­باشد. بویژه اصلاح کاتیون‌­ها/آنیون‌­ها می­تواند به‌­طور موثری پایداری الکتروشیمیایی را نسبت به تجزیه مایع یونی بهبود بخشد. به­‌طور قابل توجهی محلول هیبریدی IL–آب ممکن است دارای دامنه­‌های پایداری الکتروشیمیایی کوچک‌تری در مقایسه با الکترولیت خالص مبتنی‌­بر IL باشد که دلیل این امر ترمودینامیک پایین کمک حلال آب است. با این وجود، الکترولیت هیبریدی IL–آب با کاهش هزینه ممکن است سازگاری خوبی با مواد آند Li4Ti5O12 داشته باشد. جفت شدن آند Li4Ti5O12 و الکترولیت هیبریدی IL-آب با مواد کاتدی با پتانسیل بالا در باتری­‌های لیتیوم–یون، ممکن است چگالی انرژی و قابلیت سرعت بالا به­‌دست آِید. این مفهوم و موقعیت باید با آزمایش­‌های بیشتر تایید گردد.

ثانیاً به دلیل ویسکوزیته نسبتاً بالا، رسانایی Li+ الکترولیت‌­های مبتنی بر IL برای کاربردهای عملی باتری‌­های لیتیوم–یون کافی نیست. یکی از رویکردها، توسعه الکترولیت‌­های تمرکز بالا مبتنی‌­بر IL است که در آن تعداد انتقال Li+  به‌طور موثری افزایش یافته است. با استفاده کردن از حلال­‌های آلی، ویسکوزیته الکترولیت‌­های مبتنی بر IL را می‌­توان کاهش داد که این امر منجر به هدایت یونی بالاتر می‌­شود. علاوه بر این لازم به ذکر است که لایه SEI عامل مهمی است که بر عملکرد الکتروشیمیایی باتری‌­ها تاثیر می­‌گذارد. اگرچه برخی از الکترولیت‌­های مبتنی­‌بر IL می­‌تواند تشکیل SEI را در سطح الکترود به دلیل تجزیه کاتیون‌­ها و آنیون‌­ها تسهیل نماید. با این حال توانایی و مکانیسم تشکیل SEI در الکترولیت‌­های مختلف مبتنی‌­بر IL باید بیشتر مورد ارزیابی قرار گیرد.

ثالثاً با توجه به سنتز ILهای مختلف، محققان باید به‌صورت تئوری و تجربی ILهای سنتز شده را به­‌عنوان اجزاء الکترولیت باتری­‌های لیتیوم–یون، از نظر پایداری اکسیداسیون/ کاهش، مسیر کاهش در طی فرآیند تشکیل SEI، مکانیسم شارژ و تخلیه و … بررسی نمایند. به‌عنوان مثال حالت­‌های کاتیون­‌های آلی روی سطح الکترود (مثل حالت ایستاده یا خوابیده حلقه کاتیون) می‌­تواند به شدت بر الکتروشیمی باتری‌­های مبتنی‌­بر IL تاثیر گذار باشد. بنابراین شبیه‌­سازی‌­های دینامیک مولکولی و محاسبات تئوری کاربردی باید برای درک بهتر مکانیسم انجام گردد. چراکه این مسئله منجر به فرآهم آوردن بینشی وسیع برای تسریع توسعه الکترولیت‌­های مبتنی‌­بر IL خواهد شد. علاوه­‌بر این مطالعات الکترولیت‌­های حالت جامد (شبه جامد) مبتنی‌­بر IL هنوز در مراحل ابتدایی خود هستند و تعداد کمی از این الکترولیت‌­ها گزارش شده­‌اند؛ بنابراین بررسی الکترولیت‌­های مبتنی‌­بر IL حالت جامد (شبه جامد) بیشتر برای باتری‌­های لیتیوم–یون و فراتر از باتری‌­های لیتیوم–یون امیدوارکننده می‌­باشد. دینامیک مولکولی مربوطه و محاسبات تئوری برای درک مکانیسم انتقال گونه­‌های یونی و تشکیل لایه‌­های سطحی و … مورد نیاز است.

در نهایت هزینه بالای سنتز IL ظرفیت کم آنها برای کاربرد عملی به­‌عنوان اجزای الکترولیت در ذخیره‌­سازی انرژی، بازدارنده است. با این وجود ذکر شده است که الکترولیت سهم زیادی در هزینه‌­های کل تولید باتری ندارد. بنابراین اگر باتری مبتنی‌­بر IL بتواند مزایای کافی را از نظر عملکرد الکتروشیمیایی ارائه دهد، از نظر هزینه با باتری‌­های معمولی در رقابت خواهد بود. علاوه­‌بر این انتظار می­‌رود با تولید انبوه، هزینه تولید IL به طور قابل توجهی کاهش یابد که همین امر می‌­تواند منجر به تسریع توسعه باتری­‌های مبتنی‌­بر IL شود. تا به امروز از طرف ILها و مخلوط­‌های آنها بدون شک مزایای بسیاری را به عنوان اجزاء الکترولیت در باتری‌­های لیتیوم–یون و فراتر از آن ارائه گردیده است. پایداری حرارتی عالی، غیر سمی بودن، اشتعال ناپذیری و همچنین اثرات بهینه‌­سازی هم‌­افزایی در ترکیبات IL، به طور جامع بر عملکرد عالی الکتروشیمیایی باتری­‌های لیتیوم–یون کمک می­‌نماید. در آینده هم تحقیقات تجربی و هم تحقیقات تئوری، باید برای مطالعه خواص فیزیکوشیمیایی منحصر به فرد و عملکرد الکتروشیمیایی الکترولیت‌­های مبتنی‌­بر IL انجام شود.

 

 

 

Reference : Tang X, Lv S, Jiang K, Zhou G, Liu X. Recent development of ionic liquid-based electrolytes in lithium-ion batteries. Journal of Power Sources. 2022 Sep 15;542:231792.

ترجمه و ویرایش : شیرین میران موسوی، هانیه میران موسوی

Ion – liquid based electrolyte (IL)

[۲] Solid electrolyte interphase (SEI)

[۳] Imidazolium

0

  • دیدگاه های ارسال شده توسط شما، پس از تایید توسط تیم مدیریت در وب منتشر خواهد شد.
  • پیام هایی که حاوی تهمت یا افترا باشد منتشر نخواهد شد.
  • پیام هایی که به غیر از زبان فارسی یا غیر مرتبط باشد منتشر نخواهد شد.

Time limit is exhausted. Please reload the CAPTCHA.