ساخت و بهینه سازی ساختار الکترولیت جامد هدایت کننده ی یون لیتیم در باتری های لیتیم-هوا

تامین انرژی در جوامع امروزی از اهمیت بسزایی برخوردار است. در قرن گذشته انرژی مورد نیاز جوامع توسط سوخت های فسیلی همانند زغال سنگ، نفت و گاز طبیعی تامین می شد. مشکلات و ایرادات این گونه سوخت ها و همچنین نیاز به منبع انرژی سبز، بی پایان و اقتصادی منجر به پیشرفت های گسترده و سریع در زمینه ی استفاده از انرژی الکتریکی گردید. کاهش اندازه ی تجهیزات الکترونیکی و نیز توسعه ی صنایع چند رسانه ای صورت گرفته، میزان نیاز به ساخت تجهیزات الکترونیکی کوچک را نیز افزایش داده است و در این میان باتری های لیتیمی با الکترولیت های پلیمری جامد، توجه زیادی را به خود جلب کرده است. در سال های اخیر باتری های قابل شارژ لیتیم-هوا (باتری های Li-O۲)، به منظور توسعه و دستیابی به ذخیره سازهای انرژی الکتروشیمیایی با چگالی انرژی بالا که می توانند جهت تولید انرژی برای خودرو های الکتریکی هیبریدی، خودروهای الکتریکی و نیز تجهیزات استراتژیکی نظیر زیردریایی ها و پهپادها به کار برده شوند، توسعه ی بسیار زیادی پیدا کردند. در پژوهش حاضر کوپلیمر پلی وینیلیدن فلوراید – هگزافلوروپروپیلن (PVDF-HFP) به عنوان پلیمر میزبان، لیتیم پرکلرات به عنوان نمک لیتیمی، دی متیل استامید (DMA) به عنوان یک حلال یا نرم کننده رایج، یک نرم کننده ترکیبی (اتیلن کربنات، دی متیل کربنات و دی متیل سولفوکساید) و نانوذرات سرامیکی سیلیکون اسید به عنوان نانو پرکننده برای تهیه انواع الکترولیت های پلیمری ژلی (GPE) و همچنین الکترولیت های پلیمری کامپوزیتی (CPE) مورد استفاده قرار گرفتند. الکترولیت های ساخته شده با حلال دی متیل استامید نسبت به الکترولیت های ساخته شده با نرم کننده هایی مانند اتیلن کربنات و یا پروپیلن کربنات از هدایت و عملکرد بهتری برخوردار بوده و به همین دلیل در ابتدا از این نرم کننده بهره گرفته شد. در ادامه از ترکیبات مختلفی از حلال ها استفاده شده که ترکیب EC:DMC:DMSO (۱:۱:۲) بهترین هدایت را از خود نشان داد. از این حلال در ساخت الکترولیت ها در سری دوم آزمایشات مورد استفاده قرار گرفت. ساخت الکترولیت های پلیمری ژلی و کامپوزیتی بر مبنای روش قالب گیری بوده و تمامی خواص فیزیکی، شیمیایی و الکتروشیمیایی الکترولیت های ساخته شده در آزمایشات با استفاده از آنالیزهای XRD، FT-IR، SEM، TGA-DTAو در نهایت آنالیز طیف امپدانس الکتروشیمیایی مورد مطالعه قرار گرفت. این آزمایشات گسترده در جهت دستیابی به بهترین ترکیب ممکن، برای دستیابی به بهترین هدایت و عملکرد در الکترولیت ها به کار گرفته شد. بر مبنای آنالیز XRD مشخص شد که اضافه کردن نرم کننده به پلیمر در طی فرآیند ساخت الکترولیت و نیز افزودن نمک لیتیمی تاثیر بسیار زیادی را در کاهش میزان بلورینگی پایه ی پلیمری داشته است. طیف جذبی مادون قرمز، وجود برخی از برهم کنش ها بین ترکیبات موجود در GPEها و CPEها را به اثبات رساند. در تصاویر SEM از سطح الکترولیت های ساخته شده، فازی همگن و متخلخل مشاهده شده که انحلال مناسب نمک لیتیمی در ساختار الکترولیت و نیز فاز بی شکل را برای پایه ی پلیمری الکترولیت نشان می داد. نتایج آنالیز وزن سنجی گرمایی نشان داد که افزودن نمک و یا نانوذرات سرامیکی باعث کاهش پایداری دمایی الکترولیت ها می گردد. بر اساس طیف امپدانس حاصله، این نتیجه حاصل شد که نمونه های ساخته شده با حلال ترکیبی از مقاومت کمتر و هدایت بالاتری نسبت به الکترولیت های ساخته شده با حلال DMA داشته اما ازطرف دیگر از مقاومت مکانیکی پایین تری نسبت به آنها برخوردار بودند