Sputtered Vanadium-based Cathode for Zinc Ion Battery. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF 201021280 Ramzi AlMaghthuwi Thesis V2 - Aug 16.pdf - Submitted Version Restricted to Repository staff only until 17 August 2024. Download (5MB)

Arabic Abstract

الوقود الأحفوري هو المصدر الرئيسي للطاقة في العالم. حيث يتم إنتاج أكثر من 80٪ من الطاقة من خلال هذه المصادر التي لها تأثير بيئي ضار. لذلك هناك حاجة متزايدة لمصادر الطاقة المتجددة، لتلبية متطلبات الطاقة والتغلب على مشكلات الاحتباس الحراري، لكن الاستمرارية مع هذه المصادر تتطلب أنظمة تخزين طاقة موثوقة. تُستخدم بطاريات الليثيوم على نطاق واسع لتخزين الطاقة، ولكن من عيوبها، التكلفة و السلامة وقلة توافر الليثيوم. يُنظر إلى بطاريات الزنك على أنها أكثر البدائل الواعدة لتحقيق نمو مستدام في الطاقة المتجددة وأنظمة التخزين. تلعب مادة الكاثود في بطارية الزنك دورًا مهمًا في تعزيز قدرات تخزين الطاقة من خلال إدراج واستخراج أيونات الزنك بكفاءة عالية. تتمتع بطاريات الزنك بمزايا قوية مثل السعة النظرية والموصلية الكهربائية العالية وكثافة الطاقة العالية وإمكانية الأكسدة المنخفضة ووفرة المواد الخام والجدوى الاقتصادية. يعتبر دور الكاثود هو العائق الرئيسي أمام التطبيقات لبطاريات الزنك. حيث تحتاج مواد الكاثود ذات السماكة الرقيقة إلى آلية تخزين شحنة عكسية إلى جانب سعة شحن وجهد أعلى. كما تتطلب مواد الكاثود سلامة هيكلية عالية واستقرارًا لضمان الأداء العالي. أيضًا، أكسيد الفاناديوم هو مادة مرشحة بدور الكاثود نظرًا لقدرته النظرية العالية واستقراره الجيد أثناء دورة العمل. وبهدف تصنيع طبقات ذات سماكة منخفضة من أكسيد الفاناديوم، في هذه الدراسة تم اقتراح طريقتين تتضمن تحضير أكسيد الفاناديوم برش جزئيات المادة في حجرة في بيئة ضغط شبه معدوم بتياركهربائي مستمر متبوعًا بمعالجة حرارية والطريقة الأخرى باستخدام غاز الأكسجين لتمكين الأكسدة داخل الحجرة أثناء رش الجزئيات. أظهر تحليل البنية المجهرية والكهروكيميائية أن أداء هذه الطبقات الرقيقة القائمة على الفاناديوم التي تم تطويرها في هذه الدراسة قد تأثر بدرجة الحرارة وسُمك الغشاء. يكشف تحليل دراسة البلورات بالأشعة السينية عن وجود قمم الحيود الرئيسية لمرحلة أكسيد الفاناديوم الخماسي.المتجانسة مما يدل على التكوين الناجح للطبقة المؤكسدة. كشف تحليل الفولتميتر الدوري عن السلوك الكهروكيميائي للكاثودات، حيث أظهر الأكسدة في التفاعل داخل البطارية يجب أن تركز الأبحاث المستقبلية على تحسين أنود الزنك بطبقة التخميل (كبت الفاعلية) لتقليل تشكل التشعبات. بالإضافة إلى ذلك، وحيث أن اختيار الإلكتروليت مهم، ينبغي النظر في إلكتروليت من الحالة الصلبة. فقد ثبت أن التجهيز الثلاثي الأبعاد للكاثود داخل البطارية من هذا النوع يؤدي إلى أداء كهروكيميائي أفضل مع مواد الكاثود الأخرى التي تم اختبارها ولذلك يجب فحصها.

English Abstract

Fossil fuels are the main source of energy in the world. More than 80 % of energy is produced through these sources that have severe environmental impact and emit harmful greenhouse gases. To meet the energy demands and to overcome the issues with global warming, there is a growing need for renewable energy sources, but the intermittency issues with these sources require reliable energy storage systems. Lithium-ion Batteries (LIBs) are being widely used for energy storage, but there are certain disadvantages such as cost, safety issues, and limited availability of lithium. Green, affordable, and safe energy storage systems are required to meet rising energy demands and mitigate the harmful environmental effects of increased energy usage. Therefore, new battery technologies such as Zinc-ion batteries (ZIBs) have gained attraction due to safer, ecofriendly, and cost-effective energy storage solutions. Compared to other multivalent ionic energy storage batteries, ZIBs employ aqueous electrolytes. To achieve sustainable growth in employing renewable energy and energy storage systems, innovative aqueous ZIBs are seen as the most promising alternatives. The cathode material of ZIB plays a very critical role in enhancing energy storage capabilities via efficient insertion and extraction of Zinc ions. ZIBs have certain advantages such as high theoretical capacity, high electric conductivity, high energy density, low redox potential, abundance of raw materials, economic feasibility, recyclability, and scalability. Cathode materials are the main hinderance and bottleneck in the commercialization and advance applications of ZIBs. Suitable thin film cathode materials need reversible charge storage mechanism along with higher charge and voltage capacity. Moreover, cathode materials require high structural integrity and stability to ensure performance during charging and discharging cycles. Vanadium oxide is a potential candidate for cathode material due to its high theoretical capacity and good cycling stability. To fabricate thin films of Vanadium oxide cathode materials, two methods are proposed for this study that include DC sputtering followed by post-annealing treatment and DC sputtering with oxygen partial pressure. Microstructural and electrochemical analysis showed that the performance of Vanadium-based thin films was influenced by factors such as annealing temperature and film thickness. The XRD analysis reveals the presence of main diffraction peaks for monolithic and crystalline V2O5 phase demonstrating the successful formation of oxidized layer. Cyclic voltammetry analysis revealed the electrochemical behavior of the cathodes, showing characteristic oxidation and reduction peaks. Discharge-specific capacity tests exhibited the charge storage capacity of the cathodes. Electrochemical impedance spectroscopy analyzed the resistance of the thin film cathodes while associating them with performance and efficiency. Galvanostatic charge-discharge analysis showed the charging and discharging behavior of the cathodes, indicating their reversible charge storage mechanism. Vanadium-based thin film cathodes showed good cycling stability and maintained their performance over repeated charge-discharge cycles. However, during the 500 cycles testing, a decrease in the performance of the cathodes was observed, likely attributed to degradation and a collapse in the 2-D structure resulted from processing Vanadium oxide thin films. Future research should focus on enhancement to the Zinc Anode by a passivation layer to reduce dendrite formation. In addition, and since choice of electrolyte is important, solid-state electrolyte should be considered. Approaches of 3D processing of the cathode within the current collector foam or mesh-like configuration is proven to result in a better electrochemical performance with other tested cathode materials and should be investigated.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering Chemical Engineering
Department:	College of Chemicals and Materials > Materials Science and Engineering
Committee Advisor:	AlZahrani, Atif
Committee Members:	Darmosh, Qasem and Qamar, Mohammad
Depositing User:	RAMZI ALMAGHTHUWI (g201021280)
Date Deposited:	20 Aug 2023 06:39
Last Modified:	20 Aug 2023 06:39
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142473