FABRICATION OF HYBRID SUPERCAPACITORS USING COMPOSITES OF CARBONACEOUS AND REDOX-ACTIVE NANOMATERIALS. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (Ph.D. Dissertation) PhD_Thesis_(Syed_Shaheen_Shah)_Final.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 14 June 2024. Download (15MB)

Arabic Abstract

يعتمد التحديث والأتمتة والتقدم الاقتصادي لكل بلد بشكل كبير على توافر الطاقة واستخدامها. ونظرًا للتطورات المستجدة في مجال التكنولوجيا، فقد ازداد الطلب على الطاقة بشكل ملحوظ بمرور الوقت ومن المرجح أن يخضع مشهد الطاقة العام لتغييرات كبيرة بسبب عدم التوافق بين العرض والطلب على الطاقة العالميين. إضافة إلى أن الاستهلاك السريع للوقود الأحفوري والمخاوف البيئية بسبب انبعاثات غاز ثاني أكسيد الكربون وما يترتب عليه من أثر على الاحتباس الحراري قد زاد من وتيرة الأبحاث العلمية في مجال موارد الطاقة المتجددة البديلة، بما في ذلك ضوء الشمس والرياح. ونظرًا لتقطع توفرها فإن أنظمة تخزين الطاقة الكهربائية على المستوى الكبير مطلوبة لتخزين كميات هائلة من الطاقة لتعويض فترات الإنتاج المتقطعة. وعليه فقد اكتسبت أجهزة تخزين الطاقة الكهروكيميائية (EESDs)مثل البطاريات والمكثفات ذات السعة الفائقة اهتماماً بحثيًا مكثفًا. وتظهر المكثفات ذات السعة الفائقة كثافة قوة عالية ويمكن شحنها وتفريغها للعديد من الدورات. وبالرغم من ذلك فإن معظم المكثفات ذات السعة الفائقة تعاني من كثافة طاقة محدودة ولكن أظهرت التطورات الأخيرة في المكثفات ذات السعة الفائقة أن مركبات المواد النانوية الكربونية والمركبات الفعالة للأكسدة والإرجاع تزيد من الأداء الكهروكيميائي العام للمكثفات الفائقة الهجينة (HSCs) من خلال اختيار مواد الأقطاب الكهربائية بعناية واستخدام طرق تحضير بسيطة وفعالة من حيث التكلفة والتي من خلالها يمكن تطوير HSCs لتخزين الطاقة على نطاق أوسع. ولذلك فإن هذه الاطروحة البحثية عملت على دراسة تحضير صفائح الكربون النانوية المسامية بشكل هرمي من الكتلة الحيوية المتوفرة بكثرة JAC)) باستخدام عملية الانحلال الحراري البسيطة ودراسة خصائصها النانوية النشطة للأكسدة والإرجاع. تم تحضير JAC من خلال الانحلال الحراري أحادي الخطوة واستخدامه كمواد قطب كهربائي للمكثف ذو السعة الفائقة المتماثل مع المحلول الكهربي الحيوي القائم على الجلسرين. أظهرت النتائج الكهروكيميائية أن المكثف ذو السعة الفائقة المصنع من JAC يوفر سعة نوعية أعلى من المكثف ذو السعة الفائقة المصنع من الكربون المنشط التجاري. وتؤكد النتائج أن النفايات الحيوية المعالجة تعتبر مواد واعدة كمواد لتخزين الطاقة. وقد تم أيضا استخدام استراتيجية جديدة لإعداد JAC المشوب بالكبريت (S-doped JAC) ,وقد أثبتت النتائج أن JAC المشوب بالكبريت والذي يشتمل على مزايا الشكل المورفولوجي لنوع الصفيحة النانوية المسامية المحددة جيدًا من JAC وتعديل الذرات غير المتجانسة يُظهر أداء كهروكيميائي ممتاز. وأظهر المكثف ذو السعة الفائقة المتماثل الذي تم تجميعه مع SJAC-25 كثافة طاقة فائقة وأداء دوري ممتاز مع احتفاظ بسعة بنسبة 94 ٪ تقريبًا و 86 ٪ كفاءة كولومبيك بعد 10000 دورة تفريغ و شحن. علاوة على ذلك ، ركزنا على تعزيز قدرة تخزين الطاقة للمكثف ذو السعة الفائقة من خلال هندسة الأقطاب الكهربائية بكفاءة باستخدام البوليانيلين المترسب على رغوة النيكل (NF) كقطب موجب و JAC المودعة على NF كقطب سالب لتصنيع HSC غير المتماثل. أظهر HSC المطور كثافة طاقة عالية تبلغ حوالي 24 µWh/cm2 و كثافة قوة تبلغ 3600 µW/cm2. وقد تم استخدام JAC عالي المسامية مع الإنتاجية العالية الناتجة عن عملية الانحلال الحراري المكونة من خطوتين ومحلول كهربي هلامي البوليمر PVA/KOH كمكونات مبتكرة للمكثف الفائق المتماثل ذو الحالة الصلبة بالكامل. قدم جهاز المكثف الفائق ذو الحالة الصلبة المطوّر سعة محددة قصوى تبلغ 360 فاراد / جم (عند 0.5 أمبير / جم) وأظهر كثافة طاقة عالية تبلغ حوالي 50 واط ساعة/ كجم بكثافة قوة تبلغ 250 واط / كجم ، و قدم مقاومة منخفضة واستقرار جيد للدورات التفريغ والشحن. وأخيرًا فقد تم تصميم مركب نانوي هجين عالي الكفاءة من JAC ومركبات نانوية مزدوجة هيدروكسيد (NiCoLDH) (NiCoLDH-1@JAC-2) كمواد إلكترود وتم استخدام توليف حراري مائي سهل وجديد من خطوة واحدة للنمو في الموقع لزهور NiCoLDH النانوية باستخدام مركب النانو الهجين JAC على NF بفضل التأثير التآزري للصفائح النانوية الموصلة JAC والزهور النانوية NiCoLDH النشطة كهربائياً، وأنجزت HSCs غير المتماثلة سعة عالية محددة تبلغ 750 فاراد / جم (عند 0.5 أمبير/ جم) في PVA/KOH وكثافة طاقة عالية تبلغ 100 واط ساعي ل كغ في كثافة قوة تبلغ 250 وات / كجم مع الحفاظ على ثبات دوري متميز. علاوة على ذلك فقد تم استخدام إطار نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) لحساب كثافة الشحنة والسعة الكمومية للتحقق من النتائج التجريبية. أظهرت النتائج إمكانات مواد الكربون المشبعة على بالكبريت كمواد كهربائية فعالة (للقطبين الموجب والسالب) للمكثفات الفائقة. بينما أظهرت مواد NiCoLDH إمكانية استخدامها كمواد قطب موجبة في HSCs. علاوة على ذلك، أدى دمج الكربون في NiCoLDH إلى زيادة كبيرة في السعة الكمية. أظهرت البنية غير المتجانسة النموذجية أعلى سعة كمومية تبلغ 3000 F / سم. وعليه فإن استراتيجياتنا التجميعية المتقدمة والقابلة للتطوير تفتح طرقًا جديدة لإعداد مواد أقطاب كهربية عالية الكفاءة لتطبيقات تخزين الطاقة الكهروكيميائية عالية الأداء.

English Abstract

The modernization, automation, and economic progress of every country depend heavily on energy availability. The rapid fossil fuels consumption and environmental concerns (due to CO2 emissions, e.g., global warming) started intensive research for alternative renewable energy resources, including sunlight and wind. Yet, due to their intermittent availability, significant electric energy storage systems are required to store vast amounts of energy. Electrochemical energy storage devices (EESDs), like batteries and supercapacitors, have recently gathered intensive research interest. Supercapacitors exhibit high power density and can charge and discharge for thousands of cycles. Still, most supercapacitors suffer from limited energy density. Yet, recent developments in supercapacitors demonstrated that composites of carbonaceous and redox-active nanomaterials increase the overall electrochemical performance of hybrid supercapacitors (HSCs). By carefully selecting electrode materials and using cost-effective and simple preparation methods, HSCs can be developed to store energy efficiently on a larger scale. Therefore, in this dissertation, the preparation of hierarchically porous activated carbon nanosheets (JAC) from abundantly available biomass, using a simple pyrolysis process, and its nanocomposites with various redox-active nanomaterials were investigated for HSCs. The JAC were prepared through single-step pyrolysis and used as electrode material for symmetric supercapacitor with glycerol-based bio-electrolyte. The electrochemical results showed that the JAC-based supercapacitor provides higher specific capacitance than the commercial activated carbon-based supercapacitor. The findings confirmed that the processed bio-waste shows promise as energy storage materials. A novel strategy was used to prepare sulfur-doped JAC (S-doped JAC). It was demonstrated that the S-doped JAC, which incorporates the advantages of a well-defined hierarchically porous nanosheet type morphology of the JAC and a proper heteroatom modification, exhibits excellent electrochemical performance. The symmetric supercapacitor assembled with the S-doped JAC exhibited superior energy density and excellent cyclic performance with ~94% capacitance retention and ~86% Coulombic efficiency after 10,000 charge-discharge cycles. Furthermore, we focused on boosting the supercapacitor’s energy storage ability by efficiently engineering electrodes using polyaniline deposited on nickel foam (NF) as a positive electrode, and the JAC deposited on NF as a negative electrode to fabricate the asymmetric HSC. The developed HSC exhibited a high energy density of ~24 µWh/cm2 at a power density of 3600 µW/cm2. Later on, highly porous JAC with high yield produced by the two-step pyrolysis process and PVA/KOH polymer gel electrolyte were used as innovative components of the all-solid-state symmetric supercapacitor. The developed all-solid-state supercapacitor device delivered a maximum specific capacitance of 360 F/g (at 0.5 A/g) and exhibited a high energy density of 50 Wh/kg at a power density of 250 W/kg, and displayed low resistance and good cycling stability. Finally, a highly efficient hybrid nanocomposite of JAC and nickel-cobalt-layered double hydroxide (NiCoLDH) nanoflowers (NiCoLDH-1@JAC-2) was designed as electrode materials of the HSC. A facile and novel one-step hydrothermal synthesis was used for the in-situ growth of NiCoLDH nanoflowers with the JAC nanosheets hybrid nanocomposite on NF. Thanks to the synergistic effect of conductive JAC nanosheets and electro-active NiCoLDH nanoflowers, the asymmetric HSCs delivered a high specific capacitance of 750 F/g at 0.5 A/g in PVA/KOH gel electrolyte, high energy density of 100 Wh/kg at a power density of 250 W/kg and maintained outstanding cyclic stability. Moreover, a density functional theory framework was used to model the system and calculate the charge density and quantum capacitance to verify the experimental results. The results demonstrated the potential of S-doped carbon materials as efficient electrode materials (both positive and negative) for supercapacitors. Whereas the NiCoLDH materials showed their potential to be used as positive electrode materials in HSCs. Furthermore, incorporating carbon into the NiCoLDH resulted in a dramatic increase in quantum capacitance. The modeled heterostructure exhibited the highest quantum capacitance of 3000 µF/cm2. Our advanced synthesis strategies open new avenues to prepare highly efficient electrode materials for high-performance electrochemical energy storage applications.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Physics
Department:	College of Engineering and Physics > Physics
Committee Advisor:	Yamani, Zain Hassan
Committee Co-Advisor:	Aziz, Md. Abdul
Committee Members:	Al-Sunaidi, Abdullah A. and Harrabi, Khalil and El-Said, Ayman Sherif
Depositing User:	SYED SHAHEEN SHAH
Date Deposited:	15 Nov 2022 07:24
Last Modified:	15 Nov 2022 07:24
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142235