Development of Biomass-Derived Fiber-Type Activated Carbon for High-Performance Zn-ion Hybrid Supercapacitors. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF g202215840-Bashir Ahmed Johan.pdf Restricted to Repository staff only until 28 May 2026. Download (7MB)

Arabic Abstract

تُعد المكثفات الهجينة القائمة على أيونات الزنك (ZHSCs) من أنظمة تخزين الطاقة الواعدة نظرًا لسلامتها وتكلفتها المنخفضة وقدرتها على سد الفجوة بين أداء البطاريات والمكثفات التقليدية.في هذه الدراسة، نقدم نظامًا عالي الأداء من ZHSC تم تطويره من خلال تحسين كل من تركيبة الإلكتروليت ومادة القطب الكهربي.في الجزء الأول من هذا العمل، تم تحضير الكربون المنشط باستخدام عملية تنشيط من خطوة واحدة بواسطة NaHCO₃ من بقايا شجرة القطن الأحمر (Bombax ceiba). وقد تم استخدام هذا الكربون المسامي الهيكلي ككاثود لتعزيز انتقال الأيونات وتخزين الشحنة. أظهرت دراسة منهجية لتركيز MnSO₄ في إلكتروليت 2 M ZnSO₄ أن التركيز الأمثل هو 0.5 M، حيث أدى إلى تكوين داخل الخلية لأنواع منجنيزية نشطة MnCO₃) ،Mn₂O₃، (MnO₂ أثناء الشحن والتفريغ، مما عزز التفاعل الفارادي إلى جانب السعة الكهربائية ذات الطبقة المزدوجة. ونتيجة لذلك، تم تحقيق احتفاظ مذهل بالسعة بنسبة 172% بعد 2000 دورة، مع سعة نوعية قصوى بلغت 281 فَرَد لكل غرام وكثافات طاقة وقدرة بلغت 288.6 و.س/كغ و497.8 واط/كغ عند تيار 0.5 أمبير/غرام.في الجزء الثاني من الدراسة، تم التركيز على تحسين تركيبة حبر الأقطاب الكهربية. تم تحضير الكربون المنشط باستخدام عملية تنشيط من خطوتين بواسطة KOH للحصول على مادة ذات مساحة سطحية عالية مناسبة لتقنية الطباعة بالتجفيف الشريطي. باستخدام هذا الكربون، تم إعداد خمسة تركيبات للأقطاب الكهربائية باختلاف نسب الكربون المنشط وSuper P وموثق PVDF. أظهرت التحاليل الريولوجية أن التركيبة 8:1:0.5 وفرت لزوجة مثالية وسلوك قصّ مناسب للحصول على طلاء موحّد وسلس. كشفت التحاليل الميكروسكوبية وزوايا التلامس عن جودة طلاء ممتازة وقابلية جيدة لتفاعل الإلكتروليت مع السطح. كما أظهر قطب مقارن باستخدام موثق CMC المائي أداءً جيدًا، لكنه أظهر استقرارًا أقل بسبب انتفاخ الموثق أثناء التشغيل طويل الأمد.

English Abstract

Zinc-ion hybrid supercapacitors (ZHSCs) have gained significant attention for their safety, affordability, and the ability to bridge the performance gap between batteries and supercapacitors. In this study, we introduce a high-performance ZHSC system enhanced through both electrolyte engineering and electrode material optimization. In the first part of this work, activated carbon was prepared in a single-step activation process using NaHCO₃ from Red Cotton Tree (Bombax ceiba) biomass. The resulting hierarchically porous carbon was used as the cathode to promote ion transport and charge storage. A systematic investigation of MnSO₄ concentration in a 2 M ZnSO₄ electrolyte revealed that 0.5 M MnSO₄ was optimal, facilitating the in-situ formation of MnCO₃, Mn₂O₃, and MnO₂ during cycling. This transformation enhanced faradaic contribution alongside electric double-layer capacitance. As a result, a remarkable capacitance retention of 172% was achieved after 2000 cycles, with a maximum specific capacitance of 281 F g⁻¹, and high energy and power densities of 288.6 Wh kg⁻¹ and 497.8 W kg⁻¹ at 0.5 A g⁻¹, respectively. In the second part of the study, we focused on optimizing electrode ink formulation. Activated carbon was synthesized using a two-step activation process with KOH to obtain high surface area material suitable for film casting. Using this carbon, five electrode formulations were prepared by varying the ratios of activated carbon, Super P, and PVDF binder. Rheological analysis indicated that the 8:1:0.5 composition provided optimal viscosity and shear-thinning behavior for smooth and uniform tape casting. Optical microscopy and contact angle analysis revealed superior film quality and electrolyte wettability for this formulation. Additionally, a comparative electrode using a water-based CMC binder demonstrated good electrochemical performance but slightly reduced cycling stability due to binder swelling. Symmetric coin cells assembled with 2 M ZnSO₄ electrolyte showed that the PVDF-based 8:1:0.5 electrode delivered the highest specific capacitance of 231 F g⁻¹, excellent rate performance, and retained 49.4 Wh kg⁻¹ at 8206 W kg⁻¹ after 15,000 cycles. Electrochemical impedance spectroscopy confirmed low charge transfer resistance, indicating efficient ionic and electronic conduction.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering
Department:	College of Chemicals and Materials > Materials Science and Engineering
Committee Advisor:	Alzahrani, Atif Saeed
Committee Co-Advisor:	Aziz, Md Abdul
Committee Members:	Qamar, Mohammad
Depositing User:	BASHIR JOHAN (g202215840)
Date Deposited:	28 May 2025 07:48
Last Modified:	28 May 2025 07:48
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143488