بررسی خواص الکتریکی و دی‌الکتریک نانوکامپوزیت‌های بر پایه پلی(اتیلن اکسید) برای کاربرد در باتری‌های لیتیم-یونی

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

1 ارومیه، دانشگاه ارومیه، دانشکده فنی و مهندسی، گروه مهندسی پلیمر، کد پستی 5756151818

2 تهران، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، دانشکده مهندسی پلیمر و رنگ، صندوق پستی 4413-15875

10.22063/jipst.2026.35765.2420

چکیده

فرضیه: ساخت نانوکامپوزیت‌های پلیمری بر پایه مخلوط پلی(‌اتیلن اکسید) (PEO) و پلی(‌وینیلیدن فلوئورید) (PVDF) دارای نانوصفحه‌های گرافن، با هدف بهبود سازگاری پلیمرها و افزایش رسانندگی الکتریکی برای کاربرد در غشاهای الکترولیتی باتری‌های لیتیمی، می‌تواند به تولید موادی با خواص الکتریکی و دی‌الکتریک برتر منجر شود.
روش‌ها: فیلم‌های نانوکامپوزیتی دارای درصدهای مختلف وزنی PEO و PVDF و مقدار ثابت %0.5 وزنی نانوصفحه‌های گرافن، با روش ریخته‌گری محلولی تهیه شدند. ارزیابی عملکرد الکتریکی نمونه‌ها با طیف‌سنجی امپدانس الکتروشیمیایی در محدوده بسامد 10Hzتا 10MHz و در دمای محیط انجام شد و خواص رسانایی، دی‌الکتریک و مدول دی‌الکتریک بررسی  شد.
یافته‌ها: رسانایی جریان متناوب (AC) در بسامدهای زیاد از قانون توانی Jonscher پیروی کرد. بیشترین مقدار رسانایی جریان مستقیم (DC) در دمای محیط مقدار (S/m) 10-9×2.82برای نانوکامپوزیت دارای %60 وزنی پلی(‌اتیلن اکسید) محاسبه شد که به کاهش مقدار بلورینگی جزء پلی‌(اتیلن اکسید) و افزایش حجم آزاد نمونه نسبت داده شده است. نتایج این مطالعه نشان داد، درصد وزنی پلی(‌اتیلن اکسید) نقش تعیین‌کننده‌ای در خواص دی‌الکتریک و رسانایی نانوکامپوزیت‌های بر پایه PEO/PVDF  داشت. نمونه‌های دارای بیش از %50 وزنی PEO، با داشتن مقادیر ثابت دی‌الکتریک بزرگ در بسامدهای کم و نمایش یک قله مشخص در ضریب اتلاف و مدول الکتریکی، رسانایی یونی بیشتری را نشان دادند. تحلیل مدول الکتریکی مؤید ماهیت یونی این مواد بود و نشان داد، افزایش مقدار PEO، دینامیک یونی و حرکت حامل‌های بار را آسان می‌کند که به کاهش زمان آسایش و در نتیجه افزایش رسانایی الکتریکی منجر می‌شود. یافته‌­ها بیانگر ساخت و تولید موفق فیلم­‌های نانوکامپوزیتی پلی(­اتیلن اکسید)/پلی­(وینیلیدن فلوئورید/گرافن) با خواص الکتریکی و دی‌الکتریک بهبودیافته با قابلیت استفاده در دستگاه­‌های ذخیره­‌سازی انرژی، به‌ویژه الکترولیت‌های پلیمری جامد در باتری‌های لیتیمی است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Study of the Electrical and Dielectric Properties of Polyethylene Oxide-Based Nanocomposites for Application in Lithium-Ion Batteries

نویسندگان [English]

  • Mahboube Mohamadi Nasrabadi 1
  • Hamid Garmabi 2
1 Department of polymer engineering, Faculty of engineering, Urmia University, Urmia, Iran.
2 Polymer and color engineering faculty, Amir Kabir University of Technology (Tehran Polytechnic), Tehran, Iran
چکیده [English]

Hypothesis: Fabricating polymer nanocomposites based on blends of polyethylene oxide (PEO) and polyvinylidene fluoride (PVDF) containing graphene nanoplatelets, aimed at improving polymer compatibility and enhancing electrical conductivity for use in electrolyte membranes of lithium batteries, could yield materials with superior electrical and dielectric properties.
Methods: Nanocomposite films with varying weight ratios of PEO and PVDF and a constant 0.5 wt% graphene nanoplatelets were prepared using the solution casting method. The electrical performance of the samples was evaluated by electrochemical impedance spectroscopy over a frequency range of 10 Hz to 10 MHz at room temperature. Conductivity, dielectric, and dielectric modulus properties were analyzed.
Findings: The alternating current (AC) conductivity followed Jonscher’s power law at high frequencies. The highest direct current (DC) conductivity at room temperature was calculated to be 2.82 × 10⁻⁹ S·m⁻¹ for the nanocomposite containing 60 wt% polyethylene oxide, which was attributed to the reduced crystallinity of the PEO component and increased free volume in the sample. This study demonstrated that the weight percentage of PEO was a critical factor determining the dielectric and conductive properties of PEO/PVDF-based nanocomposites. Samples with more than 50 wt% PEO exhibited higher ionic conductivity, evidenced by high dielectric constant values at low frequencies and a distinct peak in both loss tangent and electric modulus spectra. Analysis of the electric modulus confirmed the ionic nature of these materials, revealing that increased PEO content enhanced ion dynamics and charge carrier mobility. This led to a decreased relaxation time and consequently higher electrical conductivity. The findings demonstrate the successful fabrication of polyethylene oxide/polyvinylidene fluoride/graphene nanocomposite films with enhanced electrical and dielectric properties, suitable for use in energy storage devices particularly in solid polymer electrolytes for lithium-ion batteries.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Polyethylene oxide
  • Blend
  • Polymer nanocomposite
  • Electrical properties
  • Electrochemical impedance

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار