با همکاری مشترک انجمن علوم و فناوری‌های شیمیایی ایران

نوع مقاله : مقاله پژوهشی کامل

نویسندگان

گروه شیمی، دانشکده علوم پایه، دانشگاه آیت ا...بروجردی، بروجرد، ایران

چکیده

یک طراحی ساده، جدید و کم هزینه برای باتری لیتیم-هوا معرفی شده است. یک نانوکاتالیست کارا و موثر برای اصلاح کاتد هوا، کاغذ صافی به عنوان جدا کننده ساده و مایع یونی رسانای 1-اکتیل-3-متیل ایمیدازولیوم هگزافلوئوروفسفات با نام اختصار [Omim][PF6] به عنوان الکترولیت غیر آبی و سبز (دوست دار محیط زیست) باتری بکار برده شده است. نانوذرات MnFe2O4 شامل اکسید فلزات-فلزات واسطه بوده و در آزمایشگاه تحقیقاتی ما سنتز شده است. ظرفیت دشارژ بالا، الکترولیت غیر قابل اشتعال، برگشت پذیری بالا، طول عمر زیاد و اورولتاژ کم در تست‌های الکتروشیمیایی باتری مشاهده شد. نانوکاتالیست سنتز شده بوسیله تکنیک‌های XRD، FTR و SEM مشخصه یابی شد. نتایج XRD نشان داد که نانوکاتالیست دارای اندازه ذرات بین 16-28 نانومتر بوده که به طور یکنواخت بر روی کاتد پراکنده شده و کارایی آن به بیش از 1000 سیکل در مقایسه با باتری بدون کاتالیست افزایش یافته است. ظرفیت دشارژ در دانسیته جریان mA cm-2 2/0 و پتانسیل شارژ 0/2 تا 2/4 ولت برای باتری دارای کاتالیست/الکترولیت یونی و بدون حضور کاتالیست/الکترولیت آلی به ترتیب برابر باmAh g-1 3391 و 1012 حاصل شد. علاوه بر این، استفاده از مایعات یونی به عنوان الکترولیت باعث افزایش ایمنی و طول عمر باتری شده است. بخاطر اینکه الکترولیت مورد استفاده دارای نقطه جوش بیشتر از 350 درجه سلسیوس می‌باشد، بنابراین اگر به دلیل پایان یافتن عمر باتری یا تخریب آن وارد محیط زیست گردد، براحتی تبحیر نمی گردد.

کلیدواژه‌ها

 
[1]        J. Zhang, G. Chen, M. An and P. Wang, Preparation of PtAu catalytic particles on positive electrode of Li/air battery using pulse electroplating, Int. J. Electrochem. Sci. 7 (2012) 11957–11965.
[2]        T. Ogasawara, A. Debart, M. Holzapfel, P. Novak and P.G. Bruce, Rechargeable Li2O2 electrode for lithium batteries, J. Am. Chem. Soc. 1289 (2006) 1390–1393.
[3]        S.S. Sandhu, J.P. Fellner and G.W. Brutchen, Diffusion-limited model for a lithium/air battery with an organic electrolyte, J. Power Sources 164 (2007) 365-371.
[4]        J.O. Park, M. Kim, J.H. Kim, K.H. Choi, H.C. Lee, W.Choi, S. B. Ma and D. Im, A 1000 Wh kg−1 Li–air battery: Cell design and performance, J. Power Sci. 419 (2019) 112-118.
[5]        P. Tan, H.R. Jiang, X.B. Zhu, L. An, C.Y. Jung, M.C. Wu, L. Shi, W. Shyy and T.S. Zhao, Advances and challenges in lithium-air batteries, Appl. Energy 204 (2017) 780-806.
[6]        P. Tan, W. Shyy, T.S. Zhao, R. H. Zhang and X.B. Zhu, Effects of moist air on the cycling performance of non-aqueous lithium-air batteries, Appl. Energy 182 (2016) 569-575.
[7]        Y.C. Lu, H.A. Gasteiger, M.C. Parent, V. Chiloyan and Y. Shao-Horn, The influence of catalysts on discharge and charge voltages of rechargeable Li–oxygen batteries, Electrochem. Solid-State Lett. 13 (2010) A69–A72.
[8]        Y.C. Lu, D.G. Kwabi, K.P.C. Yao, J.R. Harding, J. Zhou, L. Zuin and Y. Shao-Horn, The discharge rate capability of rechargeable Li–O2 batteries. Energy  Environ. Sci. 4 (2011) 2999–3007.
[9]        Z. Xin-Yue, F. Shao-Hua, Z. Zheng-Xi and Y. Li, Li/LiFePO4 battery performance with a guanidinium-based ionic liquid as the electrolyte, Chinese Sci. Bull. 56 (2011) 2906–2910.
[10]       S.W. Oh, S.T. Myung, S.M. Oh, K.H. Oh, K. Amine, B. Scrosati and Y.K. Sun, Double carbon coating of LiFePO4 as high rate electrode for rechargeable lithium batteries, Adv. Mater. 22 (2010) 4842-4845.
[11]       K.M. Abraham and Z. Jiang, A polymer electrolyte-based rechargeable lithium/oxygen battery, J. Electrochem. Soc. 143 (1996) 1–5.
[12]       M. Armand and J.M. Tarascon, Building better batteries, Nature 451 (2008) 652–657.
[13]       P.G. Bruce, Energy storage beyond the horizon: Rechargeable lithium batteries, Solid State Ionics 179 (2008) 752–760.
[14]       B.L. Ellis, K.T. Lee and L.F. Nazar, Positive electrode materials for Li-ion and Li-batteries, Chem. Mater. 22 (2010) 691–714.
[15]       G. Girishkumar, B. McCloskey, A.C. Luntz, S. Swanson and W. Wilcke, Lithium−air battery: Promise and challenges, J. Phys. Chem. Lett. 1 (2010) 2193–2203.
[16]       I. Kowalczk, J. Read and M. Salomon, Li-air batteries: A classic example of limitations owing to solubilities, Pure Appl. Chem. 79 (2007) 851–860.
[17]       R. Padbury and X. Zhang, Lithium–oxygen batteries—Limiting factors that affect performance, J. Power Sources 196 (2011) 4436–4444.
[18]       M.K. Song, S. Park, F.M. Alamgir, J. Cho and M. Liu, Nanostructured electrodes for lithium-ion and lithium-air batteries: the latest developments, challenges, and perspectives, Mater. Sci. Eng. R:Report 72 (2011) 203–252.
[19]       A. Kraytsberg and Y. Ein-Eli, Review on Li–air batteries—opportunities, limitations and perspective, J. Power Sources 196 (2011) 886–893.
[20]       A. Debart, J. Bao and G. Armstrong, An O2 cathode for rechargeable lithium batteries: The effect of a catalyst, J. Power Sources 174 (2007) 1177–1182.
[21]       D. Zhang, Z. Fu, Z. Wei, T. Huang and A. Yu, Polarization of oxygen electrode in rechargeable lithium oxygen batteries, J. Electrochem. Soc. 157 (2010) A362–A365.
[22]       W. Xu, V.V. Vismanathan, D. Wang, S.A. Towne, J. Xiao, Z. Nie, D. Hu and G.J. Zhang, Investigation on the charging process of Li2O2-based air electrodes in Li–O2 batteries with organic carbonate electrolytes. J. Power Sources 196 (2011): 3894–3899.
[23]       D. Aurbach, M. Daroux, P. Faguy and E. Yeager, The electrochemistry of noble metal electrodes in aprotic organic solvents containing lithium salts, J. Electroanal. Chem. Int. Electrochem. Interfacial Electrochem. 297 (1991) 225-244.
[24]       J. Suntivich, H.A. Gasteiger, N. Yabuuchi, H. Nakanishi, J.B. Goodenough and Y. Shao-Horn, Design principles for oxygen-reduction Activity on perovskite oxide catalysts for fuel cells and metal-air batteries, Nature Chem. 3 (2011) 546-550.
[25]       A. Tegou, S. Papadimitriou, S. Armyanov, E. Valova, G. Kokkinidis and S. Sotiropoulos, Oxygen reduction at platinum-and gold-coated iron, cobalt, nickel and lead deposits on glassy carbon substrates, J. Electroanal. Chem. 623 (2008) 187-196.
[26]       T. Ogasawara, A. Debart, M. Holzapfel, P. Novak and P.G. Bruce, Rechargeable Li2O2 electrode for lithium batteries, J. Am. Chem. Soc. 128 (2006) 1390-1393
[27]       H. Wang, Y. Yang, Y. Liang, G. Zheng, Y. Li, Y. Cui and H. Dai, Rechargeable Li–O2 batteries with a covalently coupled MnCo2O4–graphene hybrid as an oxygen cathode catalyst, Energy  Environ. Sci. 5 (2012) 7931-7935.
[28]       A. Debart, A.J. Paterson, J. Bao and P.G. Bruce, Alpha-MnO2 nanowires: A catalyst for the O2 electrode in rechargeable lithium batteries, Ang. Int. Ed. Chim. 47 (2008) 4521-4524.
[29]       V. Mazumder, M. Chi, K.L. More and S.J. Sun, Core/shell Pd/FePt nanoparticles as an active and durable catalyst for the oxygen reduction reaction, J. Am. Chem. Soc. 132 (2010) 7848-7849.
[30]       M. Hosseini and N. Dalali, Use of ionic liquids for trace analysis of methyl tert-butyl ether in water samples using in situ solvent formation microextraction technique and determination by GC/FID, Sep. Sci. Technol. 49 (2014) 1889–1894.
[31]       M. Hosseini, N. Dalali and S. Moghaddasifar, Ionic liquid for homogeneous liquid−liquid microextraction separation/preconcentration and determination of cobalt in saline Samples, J. Anal. Chem. 69 (2014) 1141–1146.
[32]       M. Hosseini, N. Dalali, S. Mohammad-Nejad and R. Jamali, 1-(2-Hydroxynaphtalene-1-yl)ethane oxime for determination of zinc, J. Braz. Chem. Soc. 23(2012) 78-84.
[33]       M. Hosseini, N. Dalali and S. Mohammad-Nejad, A new mode of homogeneous liquid–liquid microextraction (HLLME) based on ionic liquids: In situ solvent formation microextraction (ISFME) for determination of lead, J. Chinese Chem. Soc. 59 (2012) 872-87.
[34]       G.S. Girishkumar, B. Mccloskey, A.C. Luntz, S. Swanson, W. Wilcke, Lithium−air battery: Promise and challenges, J. Phys. Chem. Lett. 1 (2010) 2193-2203.
[35]       H. Liu and H. Yu, Ionic liquids for electrochemical energy storage devices applications, J. Mater. Sci. Technol. 35 (2019) 674-686.
[36]       H. Chan, L. Jung, O. Park, M. Kim, H. J. Kwon, J.H. Kim, K. H. Choi, K. Kim and D. Im, High-energy-density Li-O2 battery at cell scale with folded cell structure, Joule 3 (2019) 542-556.
[37]       X. Lin, L. Zhou, T. Huang and A. Yu, Cerium oxides as oxygen reduction ctalysts for lithium-air btteries, Int. J. Electrochem. Sci. 7 (2012) 9550-9559.
[38]       T. Kuboki, T. Okuyama, T. Ohsaki and N. Takami,
Lithium-air batteries using hydrophobic room temperature ionic liquid electrolyte, J. Power Sources 146 (2005) 766-769.
[39]       C.O. Laoire, S. Mukerjee and K.M.J. Abraham, Influence of nonaqueous solvents on the electrochemistry of oxygen in the rechargeable lithium−air battery, Phys. Chem. C 114 (2010) 9178-9186.
[40]       P.C. Howlett, D.R. MacFarlane and A.F. Hollenkamp, High lithium metal cycling efficiency a room temperature ionic liquid, Electrochem. Solid State Lett. 7 (2004) A97-A101.
[41]       C.O. Laoire, S. Mukerjee and K.M. Abraham, Elucidating the mechanism of oxygen reduction for lithium-air battery applications, J. Phys. Chem. C 113 (2009) 20127-20134.
[42]       Y. Li, J. Wang, X. Li, D. Geng, M.N. Banis, R. Li and X. Sun, Nitrogen-doped graphene nanosheets as cathode materials with excellent electrocatalytic activity for high capacity lithium-oxygen batteries, Electrochem. Commun. 18 (2012) 12-15.
[43]       A. Rahmani, G.R. Karimi, A. Rahmani, M. Hosseini and A. Rahmani, Removal/separation of Co(II) ion from environmental sample solutions by MnFe2O4/bentonite nanocomposite as a magnetic nanomaterial, Desalin. Water Treat. 89 (2017) 250–257.
[44]       M. Gurumoorthy, K. Parasuraman, M. Anbarasu and K. Balamurugan, FT-IR, XRD and SEM study of MnFe2O4 nanoparticles by chemical co-precipitation method, Nano Vision  5 (2015) 63-68