به سوی باتری‌ها و سلول‌های سوختی بهتر با تخمین پراکندگی برای دوغاب الکترود کربن

به سوی باتری‌ها و سلول‌های سوختی بهتر با تخمین پراکندگی برای دوغاب الکترود کربن
باتری‌های لیتیوم یون نیروگاه الکترونیک امروزی هستند و سلول‌های سوختی نامزدی امیدوارکننده برای دستگاه‌های انرژی پایدار هستند. عامل مهمی که بر عملکرد باتری‌های لیتیوم یون و سلول‌های سوختی تأثیر می‌گذارد، پراکندگی دوغاب‌های کربنی است، سوسپانسیون‌های ساخته شده از ذرات کربن رسانا پراکنده در یک حلال. آنها را می توان به راحتی روی یک کلکتور فلزی برای تولید انبوه الکترودها پوشاند. اما ذرات کربن موجود در دوغاب باید به طور همگن پراکنده شوند تا از عملکرد باتری مطمئن اطمینان حاصل شود.

با این حال، ارزیابی قابلیت پخش‌پذیری دوغاب‌های ضخیم با غلظت‌های ذرات بالا بسیار دشوار است. تعداد زیاد ذرات با استفاده از تکنیک‌های طیف‌سنجی مستقیم، از نفوذ به ساختار داخلی دوغاب‌ها جلوگیری می‌کند. علاوه بر این، هیچ روشی برای ارزیابی پراکندگی و خواص رسانایی دوغاب در پاسخ به تنش برشی اعمال شده در طول فرآیند پوشش وجود ندارد.

در مقابل این پس‌زمینه، یک تیم تحقیقاتی به سرپرستی دانشیار پروفسور ایسائو شیتاندا از دانشگاه علوم توکیو (TUS) در ژاپن تکنیک جدیدی را برای تخمین پراکندگی دوغاب‌های کربنی توسعه دادند. آخرین مطالعه آنها که به صورت آنلاین در ACS Applied Electronic Materials در 1 اوت 2023 منتشر شد، توسط دکتر Yoshifumi Yamagata از Anton Paar Japan K. K. و دکتر Shingo Niinobe از Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.

محققان یک رئومتر - ابزاری علمی برای اندازه‌گیری رفتار جریان/تغییر شکل سیالات در پاسخ به تنش اعمالی - را با یک مجموعه طیف‌سنجی ترکیب کردند تا امپدانس الکتروشیمیایی دوغاب‌های سیاه استیلن را با متیل سلولز (یک ترکیب مشتق شده از سلولز که به عنوان غلیظ‌کننده استفاده می‌شود و استفاده می‌شود) امولسیفایر در مواد غذایی و محصولات آرایشی و بهداشتی، به عنوان یک ملین حجیم ساز و به عنوان قطره چشم/گوش) به عنوان یک متفرق کننده. آنها آزمایش‌هایی را تحت تأثیر تنش برشی در فرکانس‌های مختلف برای به دست آوردن طیف‌های رئو امپدانس انجام دادند که اطلاعاتی در مورد ساختار داخلی ذرات کربن در یک دوغاب ارائه می‌دهد. جالب توجه است، آنها متوجه شدند که طیف امپدانس تحت تنش برشی اعمال شده برای یک دوغاب کربن با پراکندگی خوب به طور قابل توجهی تغییر نمی کند.

علاوه بر این، تیم یک مدل مدار معادل متشکل از سه نوع مقاومت و خازن تماس ایجاد کرد: مقاومت‌ها و خازن‌های بین ذرات سیاه استیلن، ذرات حجیم و آنهایی که از طراحی تنظیم اندازه‌گیری ناشی می‌شوند. مقاومت توده ای استیلن بلک هیچ وابستگی به سرعت برش نشان نداد اما با افزایش غلظت متیل سلولز کاهش یافت. علاوه بر این، مقاومت اندازه‌گیری شده در هر غلظت متیل سلولز با نرخ برش افزایش می‌یابد، مشاهده‌ای که به شکست جزئی شبکه کربن-کربن و کاهش هدایت با افزایش نرخ برشی نسبت داده می‌شود.

در مجموع، این نتایج نشان می‌دهد که امکان ارزیابی پراکندگی دوغاب الکترود بر اساس ترکیبی از ویسکوزیته (اندازه‌گیری شده با رئومتر) و اندازه‌گیری‌های امپدانس الکتروشیمیایی وجود دارد. دکتر شیتاندا که از پتانسیل روش جدید آنها هیجان زده شده است، اظهار می دارد: "بینش های این مطالعه می تواند برای بهبود کارایی فرآیندهای تولید الکترود در مقیاس بزرگ که در آن ساختار داخلی دوغاب باید به دقت کنترل شود مفید باشد."

تهیه دوغاب با قابلیت پراکندگی بالاتر نیز می تواند منجر به بهبود عملکرد باتری لیتیوم یون و افزایش مواد عملکردی شود. اینها کمک های قابل توجهی در ساختن یک جامعه پایدار بدون کربن با تقویت برنامه های کاربردی در پنل های خورشیدی، سلول های سوختی و وسایل نقلیه الکتریکی خواهند بود.

دکتر نتیجه گیری می کند: "روش پیشنهادی را می توان برای ارزیابی پراکندگی نه تنها پراکندگی کربن، بلکه طیف گسترده ای از دوغاب ها استفاده کرد. در مطالعات آینده، ما قصد داریم با تغییر نوع ذرات و ترکیب بایندر، اندازه گیری های بیشتر و تایید مدارهای معادل را انجام دهیم." شیتاندا.

امیدواریم این مطالعه ما را قادر به تولید دوغاب های بهینه تر کند و راه را برای فناوری های پایدارتر برای نسل بعدی الکترونیک، وسایل نقلیه الکتریکی و دستگاه های ذخیره انرژی هموار کند!

تهیه کننده: نائیجی

https://www.tus.ac.jp/en/mediarelations/archive/20230824_2410.html