Electrochemical characterization and understanding of the basic Intercalation mechanisms in electrodes
Φόρτωση...
Ημερομηνία
2026-04-02
Συγγραφείς
Τίτλος Εφημερίδας
Περιοδικό ISSN
Τίτλος τόμου
Εκδότης
ΕΛΜΕΠΑ, Σχολή Μηχανικών (ΣΜΗΧ), ΔΠΜΣ Νανοτεχνολογία για Ενεργειακές Εφαρμογές
Επιβλέπων
Περίληψη
Despite the high potential impact of aqueous battery systems, fundamental characteristics such as cost, safety, and stability make them less feasible for large-scale energy storage systems. Si is an attractive electrode material due to its high specific capacity. Nevertheless, it exhibits volume expansion during the intercalation/de-intercalation processes, leading to poor stability performance. Furthermore, carbon nanotubes have superior electro-conductivity and mechanical robustness, and consequently, they are extensively utilized in semiconductor, hydrogen storage, and flexible device research. Even though lithium-ion batteries have dominated the market, there are growing concerns about the limited availability of resources, high costs, and limited safety. Multivalent ion batteries have emerged as potential candidates due to their low cost, safety, energy density, and material reserves. Among the different multivalent metals, Zn has gained interest due to its high Zn/Zn2+ reversibility in aqueous environments. Due to their affordability, greater stability, and increased electrochemical performances, aluminum-ion batteries as possible post-lithium ion batteries are also appealing for large-scale electrochemical energy storage applications, such as grid-scale electric energy storage and electric cars. Hence, the target of the particular master dissertation is related with a. the development of nanocomposites based on Si with carbon nanotubes, to act as both mechanical support and electrical conductor, and b. promote an industrially competitive technology of aerosol-assisted chemical vapor deposition for a new class of material based on phenethylammonium bismuth iodide on fluorine doped SnO2-precoated glass substrate. In particular, the Si/CNT electrodes probed in ZnSO4 and Al2(SO4)3 electrolyte demonstrated a high discharge capacity of 170 mAh gSi-1at a high discharge plateau of ≈1.6 V, improved coulombic efficiency, cycling life, and stability. The intercalation/de-intercalation of Zn ions is limited for plain CNT, while, the Si-loaded electrodes show a larger integration area, indicating a higher energy storage capacity. The Si/CNT electrodes exhibited a semi-infinite diffusion or fast faradaic performance, with pseudocapacitive-dominated behavior in Zn2+. The primary range of diffusivity values of electrodes were 10-10 ~ 10-11 cm2 s–1 and 10-11 ~ 10-13 cm2 s–1 for the oxidation and reduction process, respectively. In Al3+, the electrodes displayed more faradaic-dominated performance with pseudocapacitor behavior, opposing to the electrodes in Zn2+. The results of the diffusion coefficient were in the range of 10-10 ~ 10-12 cm2 s–1, thus, verifying better ion mobility for Al3+. The Si/CNT electrode with the highest Si loading suggested the fastest Zn2+ and Al3+ mobility during the anodic and cathodic processes. Regarding the phenethylammonium bismuth iodide electrodes, they were electrochemically investigated in Zn2+ aqueous electrolytes presenting a specific capacity of 220 mAh g-1 at 0.4 A g-1 with excellent stability after 50 scans, capacity retention of almost 100%, and diffusion coefficient of 10-15 cm2 s–1 both in cathodic and anodic processes.
Παρά την διαδεδομενη απήχηση των υδατικών συστημάτων μπαταριών, θεμελιώδη χαρακτηριστικά όπως το κόστος, η ασφάλεια και η σταθερότητα τα καθιστούν λιγότερο εφικτά για συστήματα αποθήκευσης ενέργειας μεγάλης κλίμακας. Το πυρίτιο είναι ένα ελκυστικό υλικό ηλεκτροδίων λόγω της υψηλής ειδικής χωρητικότητάς του. Παρ 'όλα αυτά, παρουσιάζει επέκταση όγκου κατά τη διάρκεια των διαδικασιών εισχωρησης ιόντων, οδηγώντας σε μειωμένη απόδοση και σταθερότητα. Επιπλέον, οι νανοσωλήνες άνθρακα έχουν υψηλή ηλεκτροαγωγιμότητα και μηχανική ευρωστία και, κατά συνέπεια, χρησιμοποιούνται εκτενώς στην έρευνα ημιαγωγών και αποθήκευσης υδρογόνου. Παρόλο που οι μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν κυριαρχήσει στην αγορά, υπάρχουν αυξανόμενες ανησυχίες σχετικά με την περιορισμένη διαθεσιμότητα πόρων, το υψηλό κόστος και την περιορισμένη ασφάλεια. Οι μπαταρίες ιόντων ψευδαργύρου έχουν κερδίσει το ενδιαφέρον λόγω της υψηλής αναστρεψιμότητας Zn/Zn2+ σε υδατικά περιβάλλοντα, της προσιτής τιμής, της μεγαλύτερης σταθερότητας και των αυξημένων ηλεκτροχημικών επιδόσεων. Οι μπαταρίες ιόντων αλουμινίου είναι επίσης ελκυστικές για εφαρμογές αποθήκευσης ηλεκτροχημικής ενέργειας μεγάλης κλίμακας, όπως η αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας σε κλίμακα δικτύου και τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα. Ως εκ τούτου, ο στόχος της συγκεκριμένης μεταπτυχιακής διατριβής σχετίζεται με α. την ανάπτυξη νανοσύνθετων υλικών με βάση το Si με νανοσωλήνες άνθρακα, για να λειτουργήσουν τόσο ως μηχανική υποστήριξη όσο και ως ηλεκτρικός αγωγός, και β. να προωθήσει μια βιομηχανικά ανταγωνιστική τεχνολογία εναπόθεσης χημικών ατμών υποβοηθούμενων από αεροζόλ για μια νέα κατηγορία υλικών με βάση το ιωδιούχο βισμούθιο φαιναιθυλαμμωνίου σε υπόστρωμα γυαλιού προεπικαλυμμένο με φθόριο SnO2. Συγκεκριμένα, τα ηλεκτρόδια Si/CNT που ερευνήθηκαν στον ηλεκτρολύτη ZnSO4 και Al2(SO4)3 επέδειξαν υψηλή ικανότητα εκφόρτισης 170 mAh g -1 σε υψηλής τάση φόρτισης ≈1,6 V, βελτιωμένη διάρκεια ζωής και σταθερότητα. Η εισχώρηση/εκχώρηση ιόντων Zn είναι περιορισμένη για τους νανοσωλήνες άνθρακα, ενώ τα ηλεκτρόδια με Si και νανοσωλήνες άνθρακα, υποδεικνύουν υψηλότερη χωρητικότητα αποθήκευσης ενέργειας. Τα ηλεκτρόδια Si/CNT παρουσίασαν ημι-άπειρη διάχυση με ψευδοχωρητική συμπεριφορά στο Zn2+. Το εύρος τιμών του συντελεστή διάχυσης των ηλεκτροδίων ήταν 10-10 ~ 10-11 cm2 s –1 και 10-11 ~ 10-13 cm2 s –1 για τη διαδικασία οξείδωσης και αναγωγής, αντίστοιχα. Στο Al3+, τα ηλεκτρόδια εμφάνισαν συμπεριφορά ψευδοπυκνωτή, σε αντίθεση με τα ηλεκτρόδια στο Zn2+. Τα αποτελέσματα του συντελεστή διάχυσης ήταν στην περιοχή 10-10 ~ 10- 12 cm2 s –1 , επαληθεύοντας έτσι την καλύτερη κινητικότητα ιόντων για το Al3+. Το ηλεκτρόδιο Si/CNT με την υψηλότερη περιεκτηκότητα σε Si εμφάνισε την ταχύτερη κινητικότητα ιόντων Zn2+ και Al3+ κατά τη διάρκεια των ανοδικών και καθοδικών διεργασιών. Όσον αφορά τα ηλεκτρόδια ιωδιούχου βισμούθιου φαιναιθυλαμμωνίου, διερευνήθηκαν ηλεκτροχημικά σε υδατικούς ηλεκτρολύτες Zn2+ που παρουσιάζουν ειδική χωρητικότητα 220 mAh g -1 στα 0,4 A g -1 με εξαιρετική σταθερότητα μετά από 500 σαρώσεις, διατήρηση χωρητικότητας σχεδόν 100% και συντελεστή διάχυσης 10-15 cm2s–1 τόσο σε καθοδικές όσο και σε ανοδικές διεργασίες.
Παρά την διαδεδομενη απήχηση των υδατικών συστημάτων μπαταριών, θεμελιώδη χαρακτηριστικά όπως το κόστος, η ασφάλεια και η σταθερότητα τα καθιστούν λιγότερο εφικτά για συστήματα αποθήκευσης ενέργειας μεγάλης κλίμακας. Το πυρίτιο είναι ένα ελκυστικό υλικό ηλεκτροδίων λόγω της υψηλής ειδικής χωρητικότητάς του. Παρ 'όλα αυτά, παρουσιάζει επέκταση όγκου κατά τη διάρκεια των διαδικασιών εισχωρησης ιόντων, οδηγώντας σε μειωμένη απόδοση και σταθερότητα. Επιπλέον, οι νανοσωλήνες άνθρακα έχουν υψηλή ηλεκτροαγωγιμότητα και μηχανική ευρωστία και, κατά συνέπεια, χρησιμοποιούνται εκτενώς στην έρευνα ημιαγωγών και αποθήκευσης υδρογόνου. Παρόλο που οι μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν κυριαρχήσει στην αγορά, υπάρχουν αυξανόμενες ανησυχίες σχετικά με την περιορισμένη διαθεσιμότητα πόρων, το υψηλό κόστος και την περιορισμένη ασφάλεια. Οι μπαταρίες ιόντων ψευδαργύρου έχουν κερδίσει το ενδιαφέρον λόγω της υψηλής αναστρεψιμότητας Zn/Zn2+ σε υδατικά περιβάλλοντα, της προσιτής τιμής, της μεγαλύτερης σταθερότητας και των αυξημένων ηλεκτροχημικών επιδόσεων. Οι μπαταρίες ιόντων αλουμινίου είναι επίσης ελκυστικές για εφαρμογές αποθήκευσης ηλεκτροχημικής ενέργειας μεγάλης κλίμακας, όπως η αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας σε κλίμακα δικτύου και τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα. Ως εκ τούτου, ο στόχος της συγκεκριμένης μεταπτυχιακής διατριβής σχετίζεται με α. την ανάπτυξη νανοσύνθετων υλικών με βάση το Si με νανοσωλήνες άνθρακα, για να λειτουργήσουν τόσο ως μηχανική υποστήριξη όσο και ως ηλεκτρικός αγωγός, και β. να προωθήσει μια βιομηχανικά ανταγωνιστική τεχνολογία εναπόθεσης χημικών ατμών υποβοηθούμενων από αεροζόλ για μια νέα κατηγορία υλικών με βάση το ιωδιούχο βισμούθιο φαιναιθυλαμμωνίου σε υπόστρωμα γυαλιού προεπικαλυμμένο με φθόριο SnO2. Συγκεκριμένα, τα ηλεκτρόδια Si/CNT που ερευνήθηκαν στον ηλεκτρολύτη ZnSO4 και Al2(SO4)3 επέδειξαν υψηλή ικανότητα εκφόρτισης 170 mAh g -1 σε υψηλής τάση φόρτισης ≈1,6 V, βελτιωμένη διάρκεια ζωής και σταθερότητα. Η εισχώρηση/εκχώρηση ιόντων Zn είναι περιορισμένη για τους νανοσωλήνες άνθρακα, ενώ τα ηλεκτρόδια με Si και νανοσωλήνες άνθρακα, υποδεικνύουν υψηλότερη χωρητικότητα αποθήκευσης ενέργειας. Τα ηλεκτρόδια Si/CNT παρουσίασαν ημι-άπειρη διάχυση με ψευδοχωρητική συμπεριφορά στο Zn2+. Το εύρος τιμών του συντελεστή διάχυσης των ηλεκτροδίων ήταν 10-10 ~ 10-11 cm2 s –1 και 10-11 ~ 10-13 cm2 s –1 για τη διαδικασία οξείδωσης και αναγωγής, αντίστοιχα. Στο Al3+, τα ηλεκτρόδια εμφάνισαν συμπεριφορά ψευδοπυκνωτή, σε αντίθεση με τα ηλεκτρόδια στο Zn2+. Τα αποτελέσματα του συντελεστή διάχυσης ήταν στην περιοχή 10-10 ~ 10- 12 cm2 s –1 , επαληθεύοντας έτσι την καλύτερη κινητικότητα ιόντων για το Al3+. Το ηλεκτρόδιο Si/CNT με την υψηλότερη περιεκτηκότητα σε Si εμφάνισε την ταχύτερη κινητικότητα ιόντων Zn2+ και Al3+ κατά τη διάρκεια των ανοδικών και καθοδικών διεργασιών. Όσον αφορά τα ηλεκτρόδια ιωδιούχου βισμούθιου φαιναιθυλαμμωνίου, διερευνήθηκαν ηλεκτροχημικά σε υδατικούς ηλεκτρολύτες Zn2+ που παρουσιάζουν ειδική χωρητικότητα 220 mAh g -1 στα 0,4 A g -1 με εξαιρετική σταθερότητα μετά από 500 σαρώσεις, διατήρηση χωρητικότητας σχεδόν 100% και συντελεστή διάχυσης 10-15 cm2s–1 τόσο σε καθοδικές όσο και σε ανοδικές διεργασίες.
Περιγραφή
Λέξεις-κλειδιά
Zinc ion, Aluminium ion, Pseudocapacitance, Ιons insertion, Electrode, Ιόν ψευδαργύρου, Ιόν αλουμινίου, Ψευδοχωρητικότητα, Εισχώρηση ιόντων, Ηλεκτρόδιο