کاتد کربنی مونولیتیک مشتق شده از چوب نوئل برای باتری های روی-هوای قابل شارژ

چکیدهسابقه و هدف: باتری های قابل شارژ روی-هوا به دلیل چگالی انرژی نسبتا بالا، سازگاری با محیط زیست، ایمنی منتج از الکترولیت های غیرقابل اشتعال و مقرون به صرفه بودن، به عنوان سیستم های ذخیره انرژی جایگزین امیدوارکننده ای برای باتری های لیتیوم-یون امروزی در تامین انرژی به شمار می روند. اما، چگالی انرژی عملیاتی شده نسبت به مقدار تئوری در باتری های روی-هوا همچنان بسیار پایین است و سینیتیک ضعیف الکتروشیمیایی در واکنش های مربوط به کاتد هوا یکی از مهمترین موارد دخیل در این امر می باشد. هدف این پژوهش، ارزیابی کارایی الکترودهای کربنی مونولیتیک مشتق شده از چوب درخت نوئل به عنوان کاتد هوا در باتری روی-هوا می باشد.مواد و روش ها: در این پژوهش، از برون چوب هواخشک شده ی درخت نوئل به عنوان ماده پیش ساز الکترودهای کربنی استفاده شد. نخست مقطوعات چوب اولیه، به بلوک های عرضی، شعاعی و مماسی با ابعاد ۳ *۵۰ * ۵۰ میلی متر بریده و با روش پیرولیز آرام در محیطی عاری از اکسیژن، با اعمال برنامه های دمایی معین به الکترودهای کربنی یکپارچه تبدیل شدند. تمامی مقطوعات پیرولیز شده با فرایند سمباده زنی به ضخامت حدود ۱ میلیمتر تبدیل شدند. در ادامه، اثر دمای بیشینه فرایند پیرولیز (۸۰۰ و ۱۰۰۰ درجه سانتی گراد) و نوع برش مقطوعات چوبی اولیه بر ویژگی های ریخت شناسی و فیزیکی-شیمیایی الکترودهای کربنی تولید شده و کارایی الکتروشیمیایی آنها در باتری های روی هوا مورد بررسی و تحلیل قرار گرفت. یافته ها: نتایج به دست آمده تاثیر قابل ملاحظه ی دمای بیشینه فرایند پیرولیز و نوع برش مقطوعات چوبی اولیه متناسب با راستای الیاف را بر کارایی الکتروشیمیایی الکترودهای کربنی ساخته شده به عنوان کاتد هوا نشان داد. با افزایش دمای بیشینه پیرولیز از ۸۰۰ به ۱۰۰۰ درجه سانتی گراد، عملکرد الکتروشیمیایی الکترودهای کربنی تهیه شده بهبود یافت. همچنین، الکترودهای کربنی مونولیتیک مشتق شده از چوب نوئل با سطح مقطع بزرگ عرضی، ویژگی های الکتروشیمیایی برتری را نسبت به همتایان خود (نمونه های واجد سطح مقطع های بزرگ مماسی و شعاعی) نشان دادند. به طور کلی، باتری های مونتاژ شده با الکترود کاتد کربنی واجد سطح مقطع بزرگ عرضی و دمای پیرولیز ۱۰۰۰ درجه سانتی گراد، به طور معناداری عملکرد الکتروشیمیایی مطلوب تری را در آزمون های طیف سنجی امپدانس و ولتامتری خطی-جارویی در نشان دادند.نتیجه گیری: به طور خلاصه بهبود عملکرد الکتروشیمیایی الکترودهای کاتد هوای ساخته شده با افزایش دمای بیشینه ی پیرولیز، به توسعه تخلخل ساختاری و سطح ویژه الکترودهای تهیه شده نسبت داده شد. همچنین، در نمونه الکترودهای کربنی مشتق شده از چوب نوئل، با توجه به نقش کلیدی تراکئید ها در سوزنی برگان در انتقال جریان مواد در راستای طولی چوب و نیز ضخامت کمتر الکترودهای مونولیتیک کربنی تولید شده نسبت به طول تراکئیدها، به نظر می رسد انتقال جریان الکترولیت و الکترون در نمونه الکترودهای واجد سطح بزرگ عرضی به صورت موثرتری نسبت به دو نوع دیگر انجام شده و لذا کارائی الکتروشیمیایی پیل بهبود یافت.

کلیدواژه ها:

چوب کربنیزه ، دمای پیرولیز ، الکترود کاتد ، عملکرد الکتروشیمیایی ، باتری