Exploring composite metal oxide/carbon materials: growth mechanism and electrochemical performance for energy storage
Φόρτωση...
Ημερομηνία
2025-07-15
Τίτλος Εφημερίδας
Περιοδικό ISSN
Τίτλος τόμου
Εκδότης
ΕΛΜΕΠΑ, Σχολή Μηχανικών (ΣΜΗΧ), ΔΠΜΣ Νανοτεχνολογία για Ενεργειακές Εφαρμογές
Επιβλέπων
Περίληψη
In recent years, the growing global interest in environmental protection and
climate change has increased the demand for efficient storage energy. Lithium-ion
batteries, due to their high energy density, excellent cycle performance, small size and
long lifetime performance, have gained a prominent position in everyday life, finding
applications in portable devices (laptops, smart phones). However, to address safety
concerns associated with the flammable organic solvents in conventional lithium-ion
batteries, aqueous lithium-ion batteries have been developed. These water based
systems offer enhanced safety and lower production costs, making them a promising
alternative.
Transition Metal Oxides, like nickel oxide (NiO), have emerged as promising
anode materials for aqueous lithium-ion batteries due to their ability to reach high
capacity values (700-1200 mAh/g), surpassing those of commercial graphite anode.
However, their low electronic conductivity limits the rate performance. To overcome
this limitation, the incorporation of conductive materials such as graphene and
graphene oxide (GO) has been explored. These carbon-based materials improve the
structural stability of the electrode and enhance reaction kinetics. Graphene oxide, in
particular, has attracted growing interest due to its solubility in various solvents,
dielectric properties and tunable electrical characteristics. By integrating GO, the
resulting NiO/GO anode material can facilitate rapid electron transfer in aqueous
lithium-ion batteries.
In this study, GO was synthesized using a modified Hummers method, while
NiO suspension and NiO/GO composite solution were both used as electrolytes in the
electrodeposition process. The processing parameters like electrodeposition time,
Li2SO4 electrolyte concentration, NiO concentration, PVP K12 and GO addition on
the NiO suspension were systematically investigated. All samples were characterized
through morphological, structural and electrochemical measurements by scanning
electron microscopy (SEM), energy dispersive x-ray spectroscopy (EDS), X-ray
diffraction spectroscopy (XRD) and cyclic voltammetry (CV).
In conclusion, this dissertation highlights the potential of NiO and NiO/GO
anode electrodes synthesized via the electrodeposition technique as cost-effective and
promising films for anode materials in energy devices.
Τα τελευταία χρόνια, το αυξανόμενο παγκόσμιο ενδιαφέρον για την προστασία του περιβάλλοντος και την κλιματική αλλαγή έχει αυξήσει τη ζήτηση για αποδοτική αποθήκευση ενέργειας. Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου, λόγω της υψηλής ενεργειακής πυκνότητας, της εξαιρετικής κυκλικής απόδοσης, του μικρού μεγέθους και της μεγάλης διάρκειας ζωής τους, έχουν κερδίσει εξέχουσα θέση στην καθημερινή ζωή, βρίσκοντας εφαρμογές σε φορητές συσκευές (φορητούς υπολογιστές, έξυπνα τηλέφωνα). Ωστόσο, για την αντιμετώπιση των ανησυχιών για την ασφάλεια που σχετίζονται με τους εύφλεκτους οργανικούς διαλύτες στις συμβατικές μπαταρίες Ιόντων Λιθίου, υδατικές μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν αναπτυχθεί. Αυτά τα συστήματα με βάση το νερό προσφέρουν αυξημένη ασφάλεια και χαμηλότερο κόστος παραγωγής, καθιστώντας τα μια πολλά υποσχόμενη εναλλακτική λύση. Τα Οξείδια Μετάλλων Μετάβασης, όπως το οξείδιο του νικελίου (NiO), έχουν αναδειχθεί ως πολλά υποσχόμενα υλικά ανόδου για υδατικές μπαταρίες ιόντων λιθίου λόγω της ικανότητάς τους να φτάνουν σε υψηλές τιμές χωρητικότητας (700-1200 mAh/g), ξεπερνώντας ηλεκτρόδια ανόδου του εμπορίου όπως ο γραφίτης. Ωστόσο, η χαμηλή ηλεκτρονική αγωγιμότητά τους περιορίζει τον ρυθμό απόδοσης τους. Για να ξεπεραστεί αυτός ο περιορισμός, έχει διερευνηθεί η ενσωμάτωση αγώγιμων υλικών όπως το γραφένιο και το οξείδιο του γραφενίου (GO). Αυτά τα υλικά με βάση τον άνθρακα βελτιώνουν τη δομική σταθερότητα του ηλεκτροδίου και ενισχύουν την κινητική της αντίδρασης. Το οξείδιο του γραφενίου, ειδικότερα, έχει προσελκύσει αυξανόμενο ενδιαφέρον λόγω της διαλυτότητάς του σε διάφορους διαλύτες, διηλεκτρικές ιδιότητες και ρυθμιζόμενα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά. Με την ενσωμάτωση του GO, το προκύπτον υλικό ανόδου NiO/GO μπορεί να διευκολύνει την ταχεία μεταφορά ηλεκτρονίων σε υδατικές μπαταρίες ιόντων λιθίου. Σε αυτή τη μελέτη, το GO συντέθηκε χρησιμοποιώντας την τροποποιημένη μέθοδο Hummers, ενώ το εναιώρημα NiO και το σύνθετο διάλυμα NiO/GO χρησιμοποιήθηκαν και τα δύο ως ηλεκτρολύτες στη διαδικασία ηλεκτροεναπόθεσης. Οι παράμετροι επεξεργασίας όπως ο χρόνος ηλεκτροεναπόθεσης, η συγκέντρωση ηλεκτρολυτών Li2SO4, η συγκέντρωση NiO, η προσθήκη PVP K12 και GO στο εναιώρημα NiO διερευνήθηκαν συστηματικά. Όλα τα δείγματα χαρακτηρίστηκαν μέσω μορφολογικών, δομικών και ηλεκτροχημικών μετρήσεων με ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM), φασματοσκοπία ακτίνων Χ διασποράς ενέργειας (EDS), φασματοσκοπία περίθλασης ακτίνων Χ (XRD) και κυκλική βολταμετρία (CV). Συμπερασματικά, η παρούσα διατριβή αναδεικνύει τις δυνατότητες των ηλεκτροδίων ανόδου NiO και NiO/GO που συντίθενται μέσω της τεχνικής της ηλεκτροεναπόθεσης ως οικονομικά αποδοτικές και πολλά υποσχόμενες μεμβράνες για υλικά ανόδου σε ενεργειακές συσκευές.
Τα τελευταία χρόνια, το αυξανόμενο παγκόσμιο ενδιαφέρον για την προστασία του περιβάλλοντος και την κλιματική αλλαγή έχει αυξήσει τη ζήτηση για αποδοτική αποθήκευση ενέργειας. Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου, λόγω της υψηλής ενεργειακής πυκνότητας, της εξαιρετικής κυκλικής απόδοσης, του μικρού μεγέθους και της μεγάλης διάρκειας ζωής τους, έχουν κερδίσει εξέχουσα θέση στην καθημερινή ζωή, βρίσκοντας εφαρμογές σε φορητές συσκευές (φορητούς υπολογιστές, έξυπνα τηλέφωνα). Ωστόσο, για την αντιμετώπιση των ανησυχιών για την ασφάλεια που σχετίζονται με τους εύφλεκτους οργανικούς διαλύτες στις συμβατικές μπαταρίες Ιόντων Λιθίου, υδατικές μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν αναπτυχθεί. Αυτά τα συστήματα με βάση το νερό προσφέρουν αυξημένη ασφάλεια και χαμηλότερο κόστος παραγωγής, καθιστώντας τα μια πολλά υποσχόμενη εναλλακτική λύση. Τα Οξείδια Μετάλλων Μετάβασης, όπως το οξείδιο του νικελίου (NiO), έχουν αναδειχθεί ως πολλά υποσχόμενα υλικά ανόδου για υδατικές μπαταρίες ιόντων λιθίου λόγω της ικανότητάς τους να φτάνουν σε υψηλές τιμές χωρητικότητας (700-1200 mAh/g), ξεπερνώντας ηλεκτρόδια ανόδου του εμπορίου όπως ο γραφίτης. Ωστόσο, η χαμηλή ηλεκτρονική αγωγιμότητά τους περιορίζει τον ρυθμό απόδοσης τους. Για να ξεπεραστεί αυτός ο περιορισμός, έχει διερευνηθεί η ενσωμάτωση αγώγιμων υλικών όπως το γραφένιο και το οξείδιο του γραφενίου (GO). Αυτά τα υλικά με βάση τον άνθρακα βελτιώνουν τη δομική σταθερότητα του ηλεκτροδίου και ενισχύουν την κινητική της αντίδρασης. Το οξείδιο του γραφενίου, ειδικότερα, έχει προσελκύσει αυξανόμενο ενδιαφέρον λόγω της διαλυτότητάς του σε διάφορους διαλύτες, διηλεκτρικές ιδιότητες και ρυθμιζόμενα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά. Με την ενσωμάτωση του GO, το προκύπτον υλικό ανόδου NiO/GO μπορεί να διευκολύνει την ταχεία μεταφορά ηλεκτρονίων σε υδατικές μπαταρίες ιόντων λιθίου. Σε αυτή τη μελέτη, το GO συντέθηκε χρησιμοποιώντας την τροποποιημένη μέθοδο Hummers, ενώ το εναιώρημα NiO και το σύνθετο διάλυμα NiO/GO χρησιμοποιήθηκαν και τα δύο ως ηλεκτρολύτες στη διαδικασία ηλεκτροεναπόθεσης. Οι παράμετροι επεξεργασίας όπως ο χρόνος ηλεκτροεναπόθεσης, η συγκέντρωση ηλεκτρολυτών Li2SO4, η συγκέντρωση NiO, η προσθήκη PVP K12 και GO στο εναιώρημα NiO διερευνήθηκαν συστηματικά. Όλα τα δείγματα χαρακτηρίστηκαν μέσω μορφολογικών, δομικών και ηλεκτροχημικών μετρήσεων με ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM), φασματοσκοπία ακτίνων Χ διασποράς ενέργειας (EDS), φασματοσκοπία περίθλασης ακτίνων Χ (XRD) και κυκλική βολταμετρία (CV). Συμπερασματικά, η παρούσα διατριβή αναδεικνύει τις δυνατότητες των ηλεκτροδίων ανόδου NiO και NiO/GO που συντίθενται μέσω της τεχνικής της ηλεκτροεναπόθεσης ως οικονομικά αποδοτικές και πολλά υποσχόμενες μεμβράνες για υλικά ανόδου σε ενεργειακές συσκευές.
Περιγραφή
Λέξεις-κλειδιά
Lithium ion battery, Nickel oxide, Graphene oxide, Transition metal oxide, Energy storage, Μπαταρία ιόντων-λιθίου, Οξείδιο του νικελίου, Οξείδιο του γραφενίου, Οξείδια μετάλλων μετάβασης, Αποθήκευση ενέργειας