The Electrodeposition of Zinc and its Application in Zinc Ion Hybrid Supercapacitors and Zinc Ion Batteries. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF MSc_Thesis(Mostafa_Mahmoud_Mohamed_21-11-2024).pdf - Draft Version Restricted to Repository staff only until 3 January 2026. Download (14MB)

Arabic Abstract

الاسم الكامل: مصطفى محمود محمد عثمان عنوان الرسالة: "الترسيب الكهربائي للزنك وتطبيقه في المكثفات الفائقة الهجينة لأيون الزنك وبطاريات ايون الزنك التخصص: الفيزياء تاريخ الدرجة العلمية: نوفمبر 2024 يتزايد الطلب على الطاقة إلى جانب المخاوف البيئية، مما يحفز الحاجة إلى تخزين الطاقة المتجددة. تعد أجهزة تخزين الطاقة الكهروكيميائية، مثل البطاريات والمكثفات الفائقة، حلولًا رئيسية. بينما توفر المكثفات الفائقة كثافة طاقة عالية ودورة حياة طويلة، فإن كثافة طاقتها محدودة. وتعتبر المكثفات الفائقة الهجينة المعتمدة على أيونات الزنك (ZnHSCs) خيارًا آمنًا، ميسور التكلفة، وصديقًا للبيئة، إلا أن التحديات مثل تكوين التغصنات وانخفاض كثافة الطاقة تعيق إمكانية تسويقها. في هذا السياق، نقدم استخدام صفائح نانوية من الزنك تم ترسيبها كهربيًا على شبكة من الفولاذ المقاوم للصدأ (Zn ED-SS) كقطب سالب (أنود) جديد، إلى جانب الكربون المنشط المستخلص من نبات الجوت والمثبت على ورق الجرافيت ذي السطح المسامي كقطب موجب (كاثود) لتحسين التحديات المرتبطة بـ ZnHSCs. ينتج عن الدمج الاستراتيجي للصفائح النانوية من الزنك على السطح المميز لشبكة الفولاذ المقاوم للصدأ تحسينا كبيرا في الأداء الكهروكيميائي لأجهزة ZnHSC ويعود هذا التحسن الملحوظ إلى عاملين مهمين: زيادة كبيرة في المواقع النشطة وتقليل نمو التغصنات. تتميز ZnHSCs المُجمعة بسعة محددة مذهلة تبلغ (305 فاراد لكل غرام) وكثافة طاقة تبلغ (108 واط ساعة لكل كيلوغرام)، مع معدل احتفاظ بالسعة يبلغ 95% بعد 10,000 دورة. بالإضافة إلى ذلك، قمنا بتصنيع وتوصيف وتقييم كيميائي كهربائي لهياكل نانوية من ثانى اكسيد المنجنيز ((MnO2 على شكل فروع لتطبيقها في بطاريات الزنك-أيون المائية (ZIBs). تم تصميم الشكل الفريد لـ MnO2 لتعزيز مسارات انتشار الأيونات، مما يوفر مواقع نشطة كبيرة للتفاعلات الكهروكيميائية. تكشف الاختبارات الكهروكيميائية أن خلايا Zn//MnO2 تُظهر قدرة جيدة على التحمل عند معدلات شحن وتفريغ عالية، كما تم تأكيد إمكانية استخدام الخلايا من خلال قدرتها على الأداء في تحميل الكتلة العالية. وكدليل على التطبيق الواقعي، تم تجميع خلية Zn//MnO2 في خلية جيب، حيث أظهرت قدرتها الجيدة على تشغيل سيارة لعبة تعمل بالطاقة الشمسية. وأخيرًا، قدمنا نهجًا جديدًا لتحسين أداء الكاثودات MnO2 من خلال التحلل المكثف لـ Mn2+ باستخدام تقنية التعديل بالليزر، تم استخدامها لأول مرة ككاثود في بطاريات الزنك-أيون المائية. من خلال عملية التعديل بالليزر، يتم تحفيز تفاعل بين سطح الكربون والأكسجين، مما يؤدي إلى زيادة وجود مجموعات حمض الكربوكسيليك التي تسهل انتشار الأيونات داخل الكاثود. يحسن هذا التعديل بشكل كبير من قدرة الكاثود MnO2 على الانتشار، مما يؤدي إلى تحسين الأداء الكهروكيميائي. تقدم هذه الدراسات وجهات نظر جديدة حول تطوير مواد متينة قائمة على المنغنيز وأنودات زنك متينة لجميع البطاريات والمكثفات الفائقة المائية، مما يمثل مسارًا واعدًا لتطوير تقنيات تخزين الطاقة.

English Abstract

Full Name : Mostafa Mahmoud Mohamed Osman Thesis Title : The Electrodeposition of Zinc and its Application in Zinc Ion Hybrid Supercapacitors (ZIHSCs) and Zinc Ion Batteries (ZIBs). Major Field : Physics Date of Degree : Nov. 2024 Rising energy demands and environmental concerns are driving the need for renewable energy storage. Electrochemical energy storage devices, such as batteries and supercapacitors, are key solutions. While supercapacitors offer high power density and long cycle life, their energy density is limited. Aqueous zinc-ion hybrid supercapacitors (ZnHSCs) present a safe, affordable, and eco-friendly option, but challenges like dendrite formation and low energy density limit commercialization. Herein, we demonstrate the usage of Zn nanosheets electrodeposited on stainless-steel mesh (Zn ED-SS) as a new anode, and jute-based activated carbon on graphite foil with a porous surface as a cathode material, to improve challenges associated with ZnHSCs. The strategic integration of Zn nanosheets onto the distinctive surface of stainless-steel mesh results in a significant enhancement in the electrochemical performance of ZnHSC devices. This improvement can be attributable to two important factors: a significant increase in active sites and a reduction in dendritic growth. The assembled ZnHSCs have outstanding specific capacitance (305 Fg-1) and energy density (108 Wh kg-1) with 95% capacity retention rate after 10,000 cycles. Additionally, we conducted synthesis, characterization, and electrochemical evaluation of MnO2 nanobranched structures for application in aqueous zinc-ion batteries (ZIBs). The unique morphology of MnO2 was engineered to enhance ion diffusion pathways, providing substantial active sites for electrochemical reactions. Electrochemical tests reveal that the Zn//MnO2 cells exhibit good rate capability, maintaining satisfactory capacity at high C-rates. The applicability of the cells was confirmed by the ability of the cell to perform under high mass loading. As a real application, a Zn//MnO2 cell was assembled in a pouch cell demonstrating its good ability to power up an electrically powered toy car. Finally, we introduced a novel approach to enhance the performance of MnO2 cathodes, which normally experience an intense breakdown of Mn2+, by employing a facile laser modification technique, which is utilized for the first time as a cathode in AZIBs. The laser modification process triggers a reaction between the carbon surface and oxygen, leading to an increased formation of carboxylic acid groups (COOH), which enhances ion diffusion within the cathode. This modification greatly improves the diffusivity of the MnO2 cathode, resulting in superior electrochemical performance. These findings provide new insights into the development of long-lasting Mn-based materials and durable Zn anodes for aqueous batteries and supercapacitors, offering a promising direction for advancing energy storage technologies.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Physics
Department:	College of Engineering and Physics > Physics
Committee Advisor:	Yamani, Zain Hassan
Committee Co-Advisor:	Abdul Aziz, Mohamed
Committee Members:	Ashraf Gondal, Muhammad and Ben Ali Harrabi, Khalil and Mustafa Mekki, Abdelkarim
Depositing User:	MOUSTAFA MOHAMED (g202115430)
Date Deposited:	05 Jan 2025 10:30
Last Modified:	05 Jan 2025 10:30
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143224