Exploring the growth mechanism of the electrodeposited carbon components as potential buffer layers for energy storage applications
Φόρτωση...
Ημερομηνία
2024-07-09
Συγγραφείς
Τίτλος Εφημερίδας
Περιοδικό ISSN
Τίτλος τόμου
Εκδότης
ΕΛΜΕΠΑ, Σχολή Μηχανικών (ΣΜΗΧ), ΔΠΜΣ Νανοτεχνολογία για Ενεργειακές Εφαρμογές
Επιβλέπων
Περίληψη
In recent years, the depletion of fossil fuels and environmental pollution has prompted both
industry and the scientific community to seek alternative energy sources. Lithium-ion
batteries, due to their high energy density, small size, long lifetime and low pollution, have
gained a dominant position in everyday life, finding application in portable devices (laptops,
smart phones), power tools and electric vehicles. Due to this rapid development of
technology, there is growing demand for more efficient energy storage devices. This
dissertation aims to investigate carbon-based materials, especially graphene oxide as a
potential buffer layer for electrodes in lithium-ion batteries (LIBs) and electrochemical
capacitors (ECs). The unique properties of carbon-based materials, such as high surface area,
excellent electrical conductivity and tunable pore structures, have led to their widespread
application as alternative materials to traditional graphite. The material synthesis procedure
was carried out using a graphene oxide dispersion solution, which was prepared by the
modified Hummer method. The dispersed solution was the electrolyte in the
electrodeposition technique for the immobilization of graphene oxide on copper substrate.
The growth mechanism of the material was studied for different deposition time and current.
Additionally, the impact of the electrolyte concentration (Li2SO4) and the amount of graphene
oxide on the electrochemical behavior of the synthesized materials was investigated. Then,
the stability of the optimum material obtained (i.e. highest current and material’s adhesion)
was tested in 600 continuous charge/discharge cycles with sufficiently satisfactory results. In
all samples, structural, morphological and electrochemical measurements were carried out by
Raman spectroscopy, scanning electron microscopy (SEM), X-ray photoelectron
spectroscopy (XPS) and cyclic voltammetry (CV). In conclusion, the dissertation highlights
the potential of graphene oxide synthesized via the electrodeposition technique as a
cost-effective, rapid, and promising buffer layer for anode materials in energy storage
devices.
Η παρούσα διατριβή αποσκοπεί στη διερεύνηση υλικών με βάση τον άνθρακα, ιδίως του οξειδίου του γραφενίου ως δυνητικού ρυθμιστικού στρώματος για ηλεκτρόδια σε μπαταρίες ιόντων λιθίου και ηλεκτροχημικούς πυκνωτές. Η σύνθεση του υλικού πραγματοποιήθηκε με τη χρήση διαλύματος διασποράς οξειδίου του γραφενίου, το οποίο παρασκευάστηκε μέσω της τροποποιημένης μεθόδου Hummer. Το διάλυμα διασποράς χρησιμοποιήθηκε στη συνέχεια ως ηλεκτρολύτης στην τεχνική ηλεκτροαπόθεση για την ακινητοποίηση του οξειδίου του γραφενίου σε υπόστρωμα χαλκού. Ο μηχανισμός ανάπτυξης του υλικού μελετήθηκε για διαφορετικό χρόνο εναπόθεσης και πυκνότητα ρεύματος. Επιπλέον, διερευνήθηκε η επίδραση της συγκέντρωσης του ηλεκτρολύτη (Li2SO4 ) και της ποσότητας του οξειδίου του γραφενίου στην ηλεκτροχημική συμπεριφορά των παρασκευασμένων υλικών. Η σταθερότητα του βέλτιστου υλικού (που προσδιορίζεται από το υψηλότερο ειδικό ρεύμα και την πρόσφυση του υλικού) δοκιμάστηκε μέσω 600 συνεχών κύκλων φόρτισης/εκφόρτισης, αποδίδοντας ικανοποιητικά αποτελέσματα. Οι δομικές, μορφολογικές και ηλεκτροχημικές μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν με τη χρήση φασματοσκοπίας Raman, ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM), φασματοσκοπίας φωτοηλεκτρονίων ακτίνων Χ (XPS) και κυκλικής βολταμμετρίας (CV). Συμπερασματικά, η διατριβή αναδεικνύει τις δυνατότητες του οξειδίου του γραφενίου, το οποίο παρασκευάστηκε μέσω της τεχνικής της ηλεκτροεναπόθεσης, ως ένα οικονομικά αποδοτικό, γρήγορο και πολλά υποσχόμενο ρυθμιστικό στρώμα για υλικά ανόδου σε διατάξεις αποθήκευσης ενέργειας.
Η παρούσα διατριβή αποσκοπεί στη διερεύνηση υλικών με βάση τον άνθρακα, ιδίως του οξειδίου του γραφενίου ως δυνητικού ρυθμιστικού στρώματος για ηλεκτρόδια σε μπαταρίες ιόντων λιθίου και ηλεκτροχημικούς πυκνωτές. Η σύνθεση του υλικού πραγματοποιήθηκε με τη χρήση διαλύματος διασποράς οξειδίου του γραφενίου, το οποίο παρασκευάστηκε μέσω της τροποποιημένης μεθόδου Hummer. Το διάλυμα διασποράς χρησιμοποιήθηκε στη συνέχεια ως ηλεκτρολύτης στην τεχνική ηλεκτροαπόθεση για την ακινητοποίηση του οξειδίου του γραφενίου σε υπόστρωμα χαλκού. Ο μηχανισμός ανάπτυξης του υλικού μελετήθηκε για διαφορετικό χρόνο εναπόθεσης και πυκνότητα ρεύματος. Επιπλέον, διερευνήθηκε η επίδραση της συγκέντρωσης του ηλεκτρολύτη (Li2SO4 ) και της ποσότητας του οξειδίου του γραφενίου στην ηλεκτροχημική συμπεριφορά των παρασκευασμένων υλικών. Η σταθερότητα του βέλτιστου υλικού (που προσδιορίζεται από το υψηλότερο ειδικό ρεύμα και την πρόσφυση του υλικού) δοκιμάστηκε μέσω 600 συνεχών κύκλων φόρτισης/εκφόρτισης, αποδίδοντας ικανοποιητικά αποτελέσματα. Οι δομικές, μορφολογικές και ηλεκτροχημικές μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν με τη χρήση φασματοσκοπίας Raman, ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM), φασματοσκοπίας φωτοηλεκτρονίων ακτίνων Χ (XPS) και κυκλικής βολταμμετρίας (CV). Συμπερασματικά, η διατριβή αναδεικνύει τις δυνατότητες του οξειδίου του γραφενίου, το οποίο παρασκευάστηκε μέσω της τεχνικής της ηλεκτροεναπόθεσης, ως ένα οικονομικά αποδοτικό, γρήγορο και πολλά υποσχόμενο ρυθμιστικό στρώμα για υλικά ανόδου σε διατάξεις αποθήκευσης ενέργειας.
Περιγραφή
Λέξεις-κλειδιά
Electrochemical capacitor, Graphene oxide, Lithium-ion battery, Energy storage, Ηλεκτρικοχημικός πυκνωτής, Οξείδιο του γραφενίου, Μπαταρία λιθίου-ιόντων, Αποθήκευση ενέργειας