دکتر علی اکبر حیدری
-
در سال های اخیر، مطالعات متعددی درباره باتری های لیتیم-یون ثانویه برای کاربردهای گسترده شامل منبع تغذیه در وسایل الکترونیکی قابل حمل، وسایل نقلیه الکتریکی و مخزن ذخیره الکتریکی انجام شده است. به طور کلی، باتری های لیتیم-یون از چهار جزء شامل آند، کاتد، الکترولیت و جداکننده تشکیل شده اند. با وجود اینکه جداکننده ها در باتری های لیتیم-یون هیچ نقشی در واکنش های الکتروشیمیایی ندارند، اما به طور فیزیکی آند و کاتد را جدا می کنند، به طوری که وقتی جریان آزاد یون های لیتیم از راه الکترولیت مایع منتقل می شود، اتصال کوتاه الکتریکی رخ ندهد. از این رو، جداکننده نقش اساسی را در ایمنی و توان باتری های لیتیم یون دارد. در میان تعداد زیاد جداکننده هایی که تاکنون تولید شده اند، جداکننده های غشایی متخلخل پلی اولفینی شامل پلی اتیلن (PE) و پلی پروپیلن (PP)، به دلیل داشتن ویژگی های برجسته ای از جمله پایداری الکتروشیمیایی، استحکام مکانیکی خوب، کارایی و مقرون به صرفه بودن و از کارافتادگی گرمایی، به عنوان امیدوارکننده ترین جداکننده ها برای باتری های لیتیم-یون تجاری به شمار می آیند. با وجود این، جداکننده های غشایی مشکلات اساسی از جمله غیرقطبی بودن، انرژی سطحی کم و پایداری گرمایی ضعیف را برای ذخیره سازی وسایل نقلیه دارند. از این رو، در این بررسی انواع جداکننده های پلی اولفینی میکرومتخلخل استفاده شده در باتری های لیتیم-یون و روش های اصلاح سطح آن ها مرور شده اند. راهکارهایی همچون پیوندزنی با روش های مختلف، روش الهام گرفته از صدف و عامل دارکردن با نانوذرات معدنی نیز برای غلبه بر مشکلات نام برده به کار گرفته شده اند. نتایج پژوهش های بسیاری اثبات می کند، اگر با استفاده از روش ها و مواد مناسب اصلاح سطح انجام شود، خواص چشمگیری به وسیله جداکننده های پلی اولفینی تک لایه و چندلایه به دست خواهد آمد که می تواند پنجره ای جدیدی را به روی باتری های با عملکرد کارآمد بگشاید.
کلید واژگان: باتری لیتیم-یون, جداکننده پلی اولفین, جداکننده های تک لایه و چندلایه, روش های اصلاح سطح, عامل دارکردن جداکننده هاIn recent years, extensive studies have been conducted on secondary lithium-ion (Li-ion) batteries for innumerable applications, including power source for the portable electronics, electric vehicle, and electric storage reservoir. It is well-known that Li-ion batteries are made up of four different components, i.e., anode, cathode, electrolyte and separator. Even though separators play no roles in the electrochemical reactions, they physically separate the anode and cathode to avoid electrical short circuits when the free flow of Li ions transfers through the liquid electrolyte. According to the above-given statements, a separator takes a key part in the safety and the power capability of Li-ion batteries. Unil today, various separators have been introduced, among which polyolefin membrane separators have proved to be the most promising separators for commercial Li-ion batteries, arising from their outstanding properties, e.g., electrochemical stability, good mechanical strength, cost-efficiency, and thermal shutdown properties. Nevertheless, these membrane separators have faced several key drawbacks for vehicular storage, including non-polarity, low surface energy and poor thermal stability. Accordingly, the aim of this study is to review the types of polyolefin microporous separators which are widely employed in Li-ion batteries and all the intricate approaches taken for their surface modification. Several approaches including grafting by different methods, mussel-inspired technique and functionalization by inorganic nanostructures have been widely utilized to overcome the above- problems. It has been proven in the literature that outstanding properties can be provided through mono- and multilayer polyolefin separators if they are modified by proper strategies and materials, by which stat-of-the-art Li-ion batteries can be introduced..
Keywords: Li-ion battery, polyolefin separator, mono-, multilayer separators, surface modification techniques, functionalization of separators -
فرضیه
نانوفیلترکردن روش سودمندی برای جداسازی و خالص سازی مخلوط های آبی و غیر آبی است و در کاربردهای مختلفی از جمله پس زنی رنگینه از آب استفاده می شود که مهم ترین کاربرد این حوزه است. در بهبود عملکرد پس زنی و شار غشاها، که دو عامل بسیار مهم در تعیین عملکرد غشای نهایی هستند، همچنان چالش هایی وجود دارد. بر این اساس در پژوهش حاضر، از نانوذرات MIL-53(Al) به دلیل داشتن خواصی همچون آب دوستی زیاد، اندازه حفره های کم و نیز پایداری زیاد در محیط های آبی استفاده شدند.
روش هادر این مطالعه، ابتدا نانوذرات MIL-53(Al) سنتز شدند. سپس، غشاهای ماتریس ترکیبی از پلی اتر سولفون دارای نانوذرات MIL-53(Al) با روش ادغام شده جدایی فاز القایی با بخار و ضدحلال برای جداسازی رنگینه از محلول های آبی تهیه شدند که در آن از دی اکسان به عنوان حلال کمکی استفاده شد. در نهایت، بررسی و شناسایی نانوذرات و غشاهای تهیه شده با آزمون های طیف نمایی نشر نوری با پلاسمای جفت شده القایی، طیف نمایی زیرقرمز تبدیل فوریه با بازتاب کلی تضعیف شده (FTIR)، پراش سنجی پرتو X، تعیین زاویه تماس و میکروسکوپی الکترونی نشر میدانی (FE-SEM) انجام شد.
یافته هاترکیب درصدهای مختلف غشا با مقادیر متفاوت MIL-53(Al) تهیه شدند تا غشایی با عملکرد برتر برای کاربرد در پس زنی رنگینه با شار زیاد به دست آید. عملکرد غشاهای ساخته شده برای پس زنی رنگینه های مختلف (شامل سبز متیل، رودامین B، بلور بنفش و آبی متیلن) از محلول های آبی بررسی و مشخص شد ،غشای بهینه دارای عملکرد عالی در پس زنی رنگینه ها (شامل 99.8، 99.5، 99.2 و 97.1 به ترتیب برای سبز متیل، رودامین B، بلور بنفش و آبی متیلن) و نیز شار زیاد (6.1L/m2.h.bar) است. عملکرد بلندمدت غشای بهینه نیز بررسی شد که بر اساس آن غشا پس زنی رنگینه و نیز شار نسبتا ثابت با گذشت زمان را نشان داد.
کلید واژگان: پلی اتر سولفون, روش ادغام شده جدایی فاز القایی با بخار-القایی با ضدحلال, نانوذرات MIL-53(Al), غشای ماتریس ترکیبی, پس زنی رنگینهHypothesisNanofiltration (NF) is a very important technique in separation and purification of aqueous and non-aqueous mixtures in several applications, such as the retention of dyes from water, which is the largest application in this field. Nonetheless, it is still a key issue to enhance the rejection performance and improve the flux, the key factors for the performance of the final membrane. Accordingly, MIL-53(Al) nanoparticles were utilized in this research work because of their small pore sizes, significant hydrophilicity and outstanding water stability.
MethodsIn this study, the synthesis of the MIL-53(Al) nanoparticles was conducted. Then, the preparation of polyethersulfone (PES)-MIL-53(Al) mixed matrix membranes was done through the VIPS-NIPS method, which is the vapor-induced phase inversion (VIPS) method coupled with non-solvent-induced phase inversion (NIPS) technique, in which the co-solvent of 1,4-dioxane was employed. Finally, the prepared nanoparticles and membranes were characterized using several techniques including attenuated total reflection-Fourier transform infrared spectroscopy (ATR-FTIR), X-ray diffractometry (XRD), field-emission scanning electron microscopy (FE-SEM), inductively coupled plasma optical emission spectroscopy (ICP-OES), and contact angle analyses.
FindingsDifferent membrane compositions with various MIL-53(Al) contents were prepared so that a membrane with superior performance in dye rejection application and high flux can be achieved. The performance of the fabricated membranes was investigated for rejection of various dyes in aqueous solutions including Reactive Red (RR), Direct Yellow (DY), Methyl Green (MG), and Crystal Violet (CV), based on which a great separation performance (dye rejections of 99.8, 99.5, 99.2, 98.8 and 97.1 for RR, MG, DY, CV and MB, respectively) and an excellent water flux (4.8 L/m2.h.bar) were provided by the membrane containing 0.06 wt% MIL-53(Al)..
Keywords: polyethersulfone, VIPS-NIPS method, MIL-53(Al) nanoparticles, mixed matrix membrane, Dye Rejection
- این فهرست شامل مطالبی از ایشان است که در سایت مگیران نمایه شده و توسط نویسنده تایید شدهاست.
- مگیران تنها مقالات مجلات ایرانی عضو خود را نمایه میکند. بدیهی است مقالات منتشر شده نگارنده/پژوهشگر در مجلات خارجی، همایشها و مجلاتی که با مگیران همکاری ندارند در این فهرست نیامدهاست.
- اسامی نویسندگان همکار در صورت عضویت در مگیران و تایید مقالات نمایش داده می شود.