کاتد کربنی مونولیتیک مشتق شده از چوب نوئل برای باتری‌های روی-هوای قابل شارژ

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری ،گروه تکنولوژی و مهندسی چوب، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران.

2 دانشیار، گروه تکنولوژی و مهندسی چوب، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران.

3 استاد، گروه تکنولوژی و مهندسی چوب، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران.

4 استادیار، گروه تکنولوژی و مهندسی چوب، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران.

5 محقق پسادکتری، بخش علوم مواد، گروه علوم مهندسی و ریاضیات، دانشگاه صنعتی لولئا، لولئا، سوئد.

چکیده

چکیده
سابقه و هدف: باتری‌های قابل شارژ روی-هوا به‌دلیل چگالی انرژی نسبتا بالا، سازگاری با محیط زیست، ایمنی منتج از الکترولیت‌های غیرقابل اشتعال و مقرون به صرفه بودن، به‌عنوان سیستم‌های ذخیره انرژی جایگزین امیدوارکننده‌ای برای باتری‌های لیتیوم-یون امروزی در تامین انرژی به شمار می‌روند. اما، چگالی انرژی عملیاتی شده نسبت به مقدار تئوری در باتری‌های روی-هوا همچنان بسیار پایین‌ است و سینیتیک ضعیف الکتروشیمیایی در واکنش‌های مربوط به کاتد هوا یکی از مهمترین موارد دخیل در این امر می‌باشد. هدف این پژوهش، ارزیابی کارایی الکترودهای کربنی مونولیتیک مشتق شده از چوب درخت نوئل به‌عنوان کاتد هوا در باتری روی-هوا می‌باشد.
مواد و روش‌ها: در این پژوهش، از برون چوب هواخشک شده‌ی درخت نوئل به‌عنوان ماده پیش‌ساز الکترودهای کربنی استفاده شد. نخست مقطوعات چوب اولیه، به بلوک‌های عرضی، شعاعی و مماسی با ابعاد 3 *50 * 50 میلی‌متر بریده و با روش پیرولیز آرام در محیطی عاری از اکسیژن، با اعمال برنامه‌های دمایی معین به الکترودهای کربنی یکپارچه تبدیل شدند. تمامی مقطوعات پیرولیز شده با فرایند سمباده زنی به ضخامت حدود 1 میلیمتر تبدیل شدند. در ادامه، اثر دمای بیشینه فرایند پیرولیز (800 و 1000 درجه سانتی گراد) و نوع برش مقطوعات چوبی اولیه بر ویژگی‌های ریخت‌شناسی و فیزیکی-شیمیایی الکترودهای کربنی تولید شده و کارایی الکتروشیمیایی آنها در باتری‌های روی هوا مورد بررسی و تحلیل قرار گرفت.
یافته‌ها: نتایج به‌دست آمده تأثیر قابل ملاحظه‌ی دمای بیشینه فرایند پیرولیز و نوع برش مقطوعات چوبی اولیه متناسب با راستای الیاف را بر کارایی الکتروشیمیایی الکترودهای کربنی ساخته شده به‌عنوان کاتد هوا نشان داد. با افزایش دمای بیشینه پیرولیز از 800 به 1000 درجه سانتی‌گراد، عملکرد الکتروشیمیایی الکترودهای کربنی تهیه شده بهبود یافت. همچنین، الکترودهای کربنی مونولیتیک مشتق شده از چوب نوئل با سطح مقطع بزرگ عرضی، ویژگی‌های الکتروشیمیایی برتری را نسبت به همتایان خود (نمونه‌های واجد سطح مقطع‌های بزرگ مماسی و شعاعی) نشان دادند. به طور کلی، باتری‌های مونتاژ شده با الکترود کاتد کربنی واجد سطح مقطع بزرگ عرضی و دمای پیرولیز 1000 درجه سانتی گراد، به‌طور معناداری عملکرد الکتروشیمیایی مطلوب‌تری را در آزمون‌های طیف‌سنجی امپدانس و ولتامتری خطی-جارویی در نشان دادند.
نتیجه‌گیری: به‌طور خلاصه بهبود عملکرد الکتروشیمیایی الکترودهای کاتد هوای ساخته شده با افزایش دمای بیشینه‌ی پیرولیز، به توسعه تخلخل ساختاری و سطح ویژه الکترودهای تهیه شده نسبت داده شد. همچنین، در نمونه الکترودهای کربنی مشتق شده از چوب نوئل، با توجه به نقش کلیدی تراکئید‌ها در سوزنی برگان در انتقال جریان مواد در راستای طولی چوب و نیز ضخامت کمتر الکترودهای مونولیتیک کربنی تولید شده نسبت به طول تراکئیدها، به‌نظر می‌رسد انتقال جریان الکترولیت و الکترون‌ در نمونه الکترودهای واجد سطح بزرگ عرضی به صورت مؤثرتری نسبت به دو نوع دیگر انجام شده و لذا کارائی الکتروشیمیایی پیل بهبود یافت.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Spruce wood-derived monolithic carbon cathode for rechargeable zinc-air batteries

نویسندگان [English]

  • Zeinab Oodi Zare 1
  • Mahdi Mashkour 2
  • Taghi Tabarsa 3
  • Davood Rasouli 4
  • Mehrdad Mashkour 5
1 Doctoral student of the Department of Wood Technology and Engineering, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, Iran.
2 Associate Professor, Department of Wood Technology and Engineering, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, Iran.
3 Professor, Department of Wood Technology and Engineering, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, Iran.
4 Assistant Professor, Department of Wood Technology and Engineering, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, Iran.
5 Postdoctoral Researcher, Department of Materials Science, Department of Engineering and Mathematical Sciences, Luleå University of Technology, Luleå, Sweden.
چکیده [English]

Background and Purpose: Rechargeable zinc-air batteries, due to their relatively high energy density, environmental compatibility, safety resulting from non-flammable electrolytes, and affordability, are considered promising alternative energy storage systems to today's lithium-ion batteries for power supply. However, the practical energy density achieved in zinc-air batteries is still far lower than the theoretical value, and the slow electrochemical kinetics of the air cathode reactions is one of the most important factors involved. This research aims to evaluate the performance of monolithic carbon electrodes derived from spruce wood as air cathodes in zinc-air batteries.

Materials and Methods: In this study, air-dried sapwood of spruce (Picea orientalis) was employed as the starting material for fabricating carbon electrodes. First, the initial wood pieces were cut into cross-sectional, radial, and tangential blocks with dimensions of 3 * 50 * 50 mm and converted into monolithic carbon electrodes via slow pyrolysis under an inert atmosphere using specific temperature programs. All pyrolyzed samples were sanded to a thickness of about 1 mm. The effect of the maximum pyrolysis temperature (800 and 1000 °C) and the type of wood cutting on the morphological and physicochemical properties of the produced carbon electrodes and their electrochemical performance in zinc-air batteries were investigated and analyzed.

Findings: The results showed a significant influence of the maximum pyrolysis temperature and the type of wood cutting relative to the fiber direction on the electrochemical performance of the carbon electrodes fabricated as air cathodes. Increasing the maximum pyrolysis temperature from 800 to 1000 °C improved the electrochemical performance of the carbon electrodes. Additionally, monolithic carbon electrodes derived from spruce wood with large cross-sectional surface areas exhibited superior electrochemical characteristics compared to their counterparts (samples with large tangential and radial surface areas). Overall, zinc-air batteries assembled with carbon cathode electrodes of large cross-sectional area and fabricated at a pyrolysis temperature of 1000 °C exhibited significantly superior electrochemical performance in impedance spectroscopy and linear sweep voltammetry tests.

Conclusion: In summary, the enhanced electrochemical performance of the air cathodes with increasing maximum pyrolysis temperature was attributed to the development of the structural porosity and specific surface area of the prepared electrodes. For spruce wood-derived electrodes, the key role of longitudinally oriented tracheids, along with the smaller thickness of the fabricated monolithic carbon electrodes compared to tracheid length, likely facilitated electrolyte and electron transport within the large cross-sectional area cathode electrodes. This efficient transport mechanism is believed to contribute to the improved overall electrochemical performance of the cell.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Carbonized wood
  • Pyrolysis temperature
  • Cathode electrode
  • Electrochemical performance
  • Battery

مراجع

1.Chang, H., Shi, L. N., Chen, Y. H., Wang, P. F., & Yi, T. F. (2022). Advanced MOF-derived carbon-based non-noble metal oxygen electrocatalyst for next-generation rechargeable Zn-air batteries. Coordination Chemistry Reviews. 473, 214839.
2.Kumar, Y., Mooste, M., & Tammeveski, K. (2023). Recent progress of transition metal-based bifunctional electrocatalysts for rechargeable zinc–air battery application. Current Opinion in Electrochemistry. 38, 101229.
3.Armand, M., Axmann, P., Bresser, D., Copley, M., Edström, K., Ekberg, C., & Zhang, H. (2020). Lithium-ion batteries–Current state of the art and anticipated developments. J. of Power Sources, 479, 228708.
4.Yang, D., Tan, H., Rui, X., & Yu, Y. (2019). Electrode materials for rechargeable zinc-ion and zinc-air batteries: current status and future perspectives. Electrochemical Energy Reviews. 2, 395-427.
5.Hu, S., & Zhu, M. (2023). Semiconductor for oxygen electrocatalysis in photo-assisted rechargeable zinc air batteries: Principles, Advances, and Opportunities. Energy Storage Materials. 102866.
6.Deng, X., Jiang, Z., Chen, Y., Dang, D., Liu, Q., Wang, X., & Yang, X. (2023). Renewable wood-derived hierarchical porous, N-doped carbon sheet as a robust self-supporting cathodic electrode for zinc-air batteries. Chinese Chemical Letters. 34 (1), 107389.
7.Liu, H., Guan, J., Yang, S., Yu, Y., Shao, R., Zhang, Z., ... & Xu, Q. (2020). Metal–organic‐framework‐derived Co2P nanoparticle/ multi‐doped porous carbon as a trifunctional electrocatalyst. Advanced Materials, 32 (36), 2003649.
8.Zhao, Z., Fan, X., Ding, J., Hu, W., Zhong, C., & Lu, J. (2019). Challenges in zinc electrodes for alkaline zinc–air batteries: obstacles to commercialization. ACS Energy Letters. 4 (9), 2259-2270.
9.Gu, P., Zheng, M., Zhao, Q., Xiao, X., Xue, H., & Pang, H. (2017). Rechargeable zinc–air batteries: a promising way to green energy. Journal of Materials Chemistry A. 5 (17), 7651-7666.
10.Schmitt, T., Arlt, T., Manke, I., Latz, A., & Horstmann, B. (2019). Zinc electrode shape-change in secondary air batteries: A 2D modeling approach. J. of Power Sources. 432, 119-132.
11.Sun, Q., Dai, L., Luo, T., Wang, L., Liang, F., & Liu, S. (2023). Recent advances in solid‐state metal–air batteries. Carbon Energy. 5 (2), e276.
12.Zhou, Q., Zhang, Z., Cai, J., Liu, B., Zhang, Y., Gong, X., ... & Chen, Z. (2020). Template-guided synthesis of Co nanoparticles embedded in hollow nitrogen doped carbon tubes as a highly efficient catalyst for rechargeable Zn-air batteries. Nano Energy, 71, 104592.
13.Jiang, J., Zhang, L., Wang, X., Holm, N., Rajagopalan, K., Chen, F., & Ma, S. (2013). Highly ordered macroporous woody biochar with ultra-high carbon content as supercapacitor electrodes. Electrochimica Acta, 113, 481-489.
14.Wang, Z., Zhou, X., Jin, H., Chen, D., Zhu, J., Hempelmann, R., ... & Mu, S. (2022). Ionic liquid-derived FeCo alloys encapsulated in nitrogen-doped carbon framework as advanced bifunctional catalysts for rechargeable Zn-air batteries. J. of Alloys and Compounds. 908, 164565.
15.Wang, X., Liao, Z., Fu, Y., Neumann, C., Turchanin, A., Nam, G., ... & Feng, X. (2020). Confined growth of porous nitrogen-doped cobalt oxide nanoarrays as bifunctional oxygen electrocatalysts for rechargeable zinc–air batteries. Energy Storage Materials. 26, 157-164.
16.Chen, C., & Hu, L. (2018). Nanocellulose toward advanced energy storage devices: structure and electrochemistry. Accounts of chemical research. 51 (12), 3154-3165.
17.Teng, S., Siegel, G., Wang, W., & Tiwari, A. (2014). Carbonized wood for supercapacitor electrodes. ECS Solid State Letters. 3 (5), M25.
18.Cuna, A., Tancredi, N., Bussi, J., Barranco, V., Centeno, T. A., Quevedo, A., & Rojo, J. M. (2014). Biocarbon monoliths as supercapacitor electrodes: influence of wood anisotropy on their electrical and electrochemical properties. J. of the Electrochemical Society. 161 (12), A1806.
19.Moreno-Castilla, C., Pérez-Cadenas, A. F., Maldonado-Hodar, F. J., Carrasco-Marı́n, F., & Fierro, J. L. G. (2003). Influence of carbon–oxygen surface complexes on the surface acidity of tungsten oxide catalysts supported on activated carbons. Carbon. 41 (6), 1157-1167.
20.Jiang, F., Li, T., Li, Y., Zhang, Y., Gong, A., Dai, J., ... & Hu, L. (2018). Wood‐based nanotechnologies toward sustainability. Advanced Materials. 30 (1), 1703453.
21.Wu, F. C., Tseng, R. L., Hu, C. C., & Wang, C. C. (2004). Physical and electrochemical characterization of activated carbons prepared from firwoods for supercapacitors. J. of Power Sources, 138 (1-2), 351-359.
22.Eom, S. W., Lee, C. W., Yun, M. S., & Sun, Y. K. (2006). The roles and electrochemical characterizations of activated carbon in zinc air battery cathodes. Electrochimica acta. 52 (4), 1592-1595.
23.Figueiredo, F. (2013). On the prediction of popularity of trends and hits for user generated videos. In Proceedings of
the sixth ACM international conference on Web search and data mining. Pp: 741-746.
24.Marsh, H., Martı́nez-Escandell, M., & Rodrı́guez-Reinoso, F. (1999). Semicokes from pitch pyrolysis: mechanisms and kinetics. Carbon. 37 (3), 363-390.
25.Burchell, T. D., Contescu, C. I., & Gallego, N. C. (2017). Activated carbon fibers for gas storage. In Activated Carbon Fiber and Textiles. Woodhead Publishing. Pp: 305-335.
26.Sevilla, M., & Mokaya, R. (2014). Energy storage applications of activated carbons: supercapacitors and hydrogen storage. Energy & Environmental Science. 7 (4), 1250-1280.
27.Maruyama, J., & Abe, I. (2005). Enhancement effect of an adsorbed organic acid on oxygen reduction at various types of activated carbon loaded with platinum. J. of Power Sources. 148, 1-8.
28.Gärtner, H., & Schweingruber, F. H. (2013). Microscopic preparation techniques for plant stem analysis (No Title).
29.Chang, H., Shi, L. N., Chen, Y. H., Wang, P. F., & Yi, T. F. (2022). Advanced MOF-derived carbon-based non-noble metal oxygen electrocatalyst for next-generation rechargeable Zn-air batteries. Coordination Chemistry Reviews. 473, 214839.
30.Horne, P. A., & Williams, P. T. (1996). Influence of temperature on the products from the flash pyrolysis of biomass. Fuel. 75 (9), 1051-1059.
31.Liang, B., Lehmann, J., Solomon, D., Kinyangi, J., Grossman, J., O'Neill, B. J. O. J. F. J. J. E. G., ... & Neves, E. G. (2006). Black carbon increases cation exchange capacity in soils. Soil science society of America J.70 (5), 1719-1730.
32.Wang, T., Camps-Arbestain, M., Hedley, M., & Bishop, P. (2012). Predicting phosphorus bioavailability from high-ash biochars. Plant and Soil. 357, 173-187.
33.Wu, C., Zhang, S., Wu, W., Xi, Z., Zhou, C., Wang, X., ... & Chen, D. (2019). Carbon nanotubes grown on the inner wall of carbonized wood tracheids for high-performance supercapacitors. Carbon. 150, 311-318.
34.Yaqoob, A. A., Ibrahim, M. N. M., & Umar, K. (2021). Electrode material as anode for improving the electrochemical performance of microbial fuel cells. In Energy Storage Battery Systems-Fundamentals and Applications. IntechOpen.
35.Cui, X., Liu, Y., Han, G., Cao, M., Han, L., Zhou, B., ... & Jiang, J. (2021). Wood‐Derived Integral Air Electrode for Enhanced Interfacial Electrocatalysis in Rechargeable Zinc–Air Battery. Small. 17 (38), 2101607.
36.Maruyama, J., & Abe, I. (2005). Enhancement effect of an adsorbed organic acid on oxygen reduction at various types of activated carbon loaded with platinum. J. of Power Sources. 148 (1-8), 37-41.
37.Sevilla, M., & Fuertes, A. B. (2006). Catalytic graphitization of templated mesoporous carbons. Carbon. 44 (3), 468-474.
38.Punon, M., Jarernboon, W., & Laokul, P. (2022). Electrochemical performance of Palmyra palm shell activated carbon prepared by carbonization followed by microwave reflux treatment. Materials Research Express. 9 (6), 065603.
39.Santangelo, S., Messina, G., Faggio, G., Abdul Rahim, S. H., & Milone, C. (2012). Effect of sulphuric–nitric acid mixture composition on surface chemistry and structural evolution of liquid‐ phase oxidised carbon nanotubes. J. of Raman Spectroscopy. 43 (10), 1432-1442.
40.Guo, Z., Ma, Y., Zhao, Y., Song, Y., Tang, S., Wang, Q., & Li, W. (2022). Trimetallic ZIFs-derived porous carbon as bifunctional electrocatalyst for rechargeable Zn-air battery. J. of Power Sources. 542, 231723.
41.Sindhuja, M., Harinipriya, S., Bala, A. C., & Ray, A. K. (2018). Environmentally available biowastes as substrate in microbial fuel cell for efficient chromium reduction. J. of Hazardous Materials. 355, 197-205.
42.Wei, L., Karahan, H. E., Zhai, S., Liu, H., Chen, X., Zhou, Z., ... & Chen, Y. (2017). Amorphous bimetallic oxide–graphene hybrids as bifunctional oxygen electrocatalysts for rechargeable Zn–air batteries. Advanced Materials. 29 (38), 1701410.
43.Chang, B. Y., & Park, S. M. (2010). Electrochemical impedance spectroscopy. Annual Review of Analytical Chemistry. 3, 207-229.
44.Jüttner, K. (1990). Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) of corrosion processes on inhomogeneous surfaces. Electrochimica Acta. 35 (10), 1501-1508.
پژوهش‌های علوم و فناوری چوب و جنگل
دوره 31، شماره 1
فروردین 1403
صفحه 159-178

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار