كاتد كربني مونوليتيك مشتق شده از چوب نوئل براي باتري‌هاي روي-هواي قابل شارژ

سابقه و هدف: باتري‌هاي قابل شارژ روي هوا به‌دليل چگالي انرژي نسبتا بالا، سازگاري با محيط زيست، ايمني منتج از الكتروليت‌هاي غيرقابل اشتعال و مقرون به صرفه بودن، به‌عنوان سيستم‌هاي ذخيره انرژي جايگزين اميدواركننده‌اي براي باتري‌هاي ليتيوم يون امروزي در تامين انرژي به شمار مي‌روند. اما، چگالي انرژي عملياتي شده نسبت به مقدار تئوري در باتري‌هاي روي هوا همچنان بسيار پايين‌ است و سينيتيك ضعيف الكتروشيميايي در واكنش‌هاي مربوط به كاتد هوا يكي از مهمترين موارد دخيل در اين امر مي‌باشد. هدف اين پژوهش، ارزيابي كارايي الكترودهاي كربني مونوليتيك مشتق شده از چوب درخت نوئل به‌عنوان كاتد هوا در باتري روي هوا مي‌باشد.مواد و روش‌ها: در اين پژوهش، از برون چوب هواخشك شده‌ي درخت نوئل به‌عنوان ماده پيش‌ساز الكترودهاي كربني استفاده شد. نخست مقطوعات چوب اوليه، به بلوك‌هاي عرضي، شعاعي و مماسي با ابعاد 3 *50 * 50 ميلي‌متر بريده و با روش پيروليز آرام در محيطي عاري از اكسيژن، با اعمال برنامه‌هاي دمايي معين به الكترودهاي كربني يكپارچه تبديل شدند. تمامي مقطوعات پيروليز شده با فرايند سمباده زني به ضخامت حدود 1 ميليمتر تبديل شدند. در ادامه، اثر دماي بيشينه فرايند پيروليز (800 و 1000 درجه سانتي گراد) و نوع برش مقطوعات چوبي اوليه بر ويژگي‌هاي ريخت‌شناسي و فيزيكي شيميايي الكترودهاي كربني توليد شده و كارايي الكتروشيميايي آنها در باتري‌هاي روي هوا مورد بررسي و تحليل قرار گرفت. يافته‌ها: نتايج به‌دست آمده تأثير قابل ملاحظه‌ي دماي بيشينه فرايند پيروليز و نوع برش مقطوعات چوبي اوليه متناسب با راستاي الياف را بر كارايي الكتروشيميايي الكترودهاي كربني ساخته شده به‌عنوان كاتد هوا نشان داد. با افزايش دماي بيشينه پيروليز از 800 به 1000 درجه سانتي‌گراد، عملكرد الكتروشيميايي الكترودهاي كربني تهيه شده بهبود يافت. همچنين، الكترودهاي كربني مونوليتيك مشتق شده از چوب نوئل با سطح مقطع بزرگ عرضي، ويژگي‌هاي الكتروشيميايي برتري را نسبت به همتايان خود (نمونه‌هاي واجد سطح مقطع‌هاي بزرگ مماسي و شعاعي) نشان دادند. به طور كلي، باتري‌هاي مونتاژ شده با الكترود كاتد كربني واجد سطح مقطع بزرگ عرضي و دماي پيروليز 1000 درجه سانتي گراد، به‌طور معناداري عملكرد الكتروشيميايي مطلوب‌تري را در آزمون‌هاي طيف‌سنجي امپدانس و ولتامتري خطي جارويي در نشان دادند.نتيجه‌گيري: به‌طور خلاصه بهبود عملكرد الكتروشيميايي الكترودهاي كاتد هواي ساخته شده با افزايش دماي بيشينه‌ي پيروليز، به توسعه تخلخل ساختاري و سطح ويژه الكترودهاي تهيه شده نسبت داده شد. همچنين، در نمونه الكترودهاي كربني مشتق شده از چوب نوئل، با توجه به نقش كليدي تراكئيد‌ها در سوزني برگان در انتقال جريان مواد در راستاي طولي چوب و نيز ضخامت كمتر الكترودهاي مونوليتيك كربني توليد شده نسبت به طول تراكئيدها، به‌نظر مي‌رسد انتقال جريان الكتروليت و الكترون‌ در نمونه الكترودهاي واجد سطح بزرگ عرضي به صورت مؤثرتري نسبت به دو نوع ديگر انجام شده و لذا كارائي الكتروشيميايي پيل بهبود يافت.