Carbon Composite Transition Metals-Doped Nickel-Based Layered Double Hydroxide for Nickel-Zinc Battery Enhancement. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (PhD Dissertation Yuda Prima Hardianto) Thesis_Yuda Prima Hardianto.pdf - Submitted Version Restricted to Repository staff only until 23 December 2026. Download (14MB)

Arabic Abstract

تعد الطاقة الموثوقة والمستدامة ركيزة أساسية للتقدم الصناعي والأتمتة والتنمية الوطنية، حيث أدى الاعتماد المستمر على الوقود الأحفوري إلى زيادة انبعاثات الكربون، مما دفع نحو تحول عالمي صوب تقنيات الطاقة النظيفة مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية، ونظراً لطبيعتها المتقطعة، تبرز الحاجة إلى أنظمة تخزين طاقة فعالة ومتينة لضمان استقرار الإمداد. ومن بين مختلف تقنيات التخزين الكهروكيميائي، تتميز بطاريات النيكل-خارصين (Ni–Zn) المائية القابلة للشحن بسلامتها وتكلفتها المنخفضة وتوافقها البيئي، إلا أن أداءها لا يزال مقيداً ببطء حركية تفاعلات الأكسدة والاختزال والتدهور الهيكلي والتفاعلات الجانبية الطفيلية، ولذلك تعالج هذه الأطروحة هذه التحديات من خلال التصميم المنهجي وتحسين أقطاب الكاثود من هيدروكسيد الطبقات المزدوجة (LDH) القائم على النيكل والمتحد مع المواد الكربونية لتعزيز التوصيلية وحركية التفاعل والاستقرار طويل الأمد. وبعد تحسين نسبة Ni:Co إلى إنتاج زهور نانوية CoNi-LDH عبر طريقة حرارية مائية بخطوة واحدة، حيث أظهرت العينة CoNi-2 أعلى سعة واستقرارا ونجحت في تشغيل تطبيقات عملية مثل سيارات الألعاب وتفاعلات تحليل الماء، كما تم فحص تأثير نوع الكربون NiCo-LDH/carbon عبر تطوير نوعين من المتراكبات، الأول NiCo-LDH/date-stone-derived activated carbon وتم الانتاج عبر التنشيط KOH ماخوذ من النفايات الزراعية مما شكلت بنية هرمية دقيقة/متوسطة المسام سمحت بنقل سريع للأيونات ونمو LDH على قماش الكربون محققاً سعة 164 mAh g⁻¹ واحتفاظ بنسبة 86% بعد 500 دورة شحن وتفريغ، والثاني قطب خالية من الرابطة NiCo-LDH تم تنمية قطب كهربائي على قماش كربوني NiCo-LDH@CC عبر الترسيب الكهروكيميائي الكاثودي السريع (10 mA cm⁻², 5 min) مما أظهر ترابطا قوي LDH– بين اقتران الركيزة والسلوك المعتمد على التركيب حيث قدم القطب الغني بالنيكل (3:1) سعة 239 mAh g⁻¹ عند 1 1 A g⁻¹، استقرار بنسبة 94% ومقاومة نقل شحنة ضئيلة ومدعومة بنتائج DFT الذي اظهر عدم تطابق منخفض في الشبكة (~0.31%) وسعة كمومية عالية. قدمت نماذج الفولتامترية الدورية (CV) والشحن والتفريغ الجلفانوستاتيكي (GCD) المطورة حديثا رؤى آلية حول العمليات التي تتحكم فيها السعة والانتشار في الأقطاب الكهربائية المكونة بالنيكل. يرسي هذا العمل إطارا متكاملا للمواد والبنية والنظرية، مما يحسن أداء بطاريات Ni–Zn وفهمها وجدواها العملية، ويوفر مسارا واعدا نحو أنظمة تخزين الطاقة المائية المستدامة من الجيل التالي. الكلمات المفتاحية. بطاريات النيكل والزنك؛ هيدروكسيد النيكل والكوبالت المزدوج الطبقات؛ الكربون المنشط؛ قطب كهربائي خالٍ من المادة الرابطة؛ التخليق الحراري المائي؛ الترسيب الكهربائي؛ نمذجة الفولتامترية الدورية (CV)؛ نمذجة الشحن والتفريغ الجلفانوستاتيكي (GCD)؛ آلية تخزين الطاقة؛ حركية الأكسدة والاختزال؛ تطعيم المعادن الانتقالية؛ نظرية الكثافة الوظيفية (DFT)؛ بطارية قابلة لإعادة الشحن مائية.

English Abstract

Reliable and sustainable energy is essential for industrial progress, automation, and national development. Ongoing dependence on fossil fuels has heightened carbon release, prompting a worldwide shift toward clean energy technologies like wind and solar power. Due to their intermittent nature, efficient and durable energy storage systems are required to ensure a stable energy supply. Among various electrochemical storage technologies, aqueous rechargeable nickel–zinc (Ni–Zn) batteries stand out for their safety, low cost, and environmental compatibility, yet their performance remains constrained by sluggish redox kinetics, structural degradation, and parasitic side reactions. This dissertation addresses these challenges through the rational design and optimization of nickel-based layered double hydroxide (LDH) cathodes composited with carbon materials to enhance conductivity, reaction kinetics, and long-term stability. Optimization of the Ni:Co ratio yielded CoNi-LDH nanoflowers via a one-step hydrothermal method, with CoNi-2 exhibiting the highest capacity and rate stability; the optimized full cell successfully powered toy cars and drove water-splitting reactions. To examine the effect of carbon type, two NiCo-LDH/carbon composites were developed: (i) NiCo-LDH/date-stone-derived activated carbon (DSAC), produced via KOH activation and carbonization of agricultural waste, formed a hierarchical micro/mesoporous structure enabling rapid ion transport and uniform in situ LDH growth, achieving 164 mAh g⁻¹ and 86% retention after 500 cycles; and (ii) a binder-free NiCo-LDH electrode grown on carbon cloth (NiCo-LDH@CC) through rapid cathodic electrodeposition (10 mA cm⁻², 5 min) exhibited strong LDH–substrate coupling and composition-dependent behavior, with the Ni-rich (3:1) electrode delivering 239 mAh g⁻¹ at 1 A g⁻¹, 94% stability, and minimal charge-transfer resistance, supported by DFT results showing low lattice mismatch (~0.31%) and high quantum capacitance. Newly developed cyclic voltammetry (CV) and galvanostatic charge–discharge (GCD) models provided mechanistic insights into the capacitive and diffusion-controlled processes governing nickel-based electrodes. Collectively, this work establishes an integrated material, structural, and theoretical framework that enhances the performance, understanding, and practical viability of Ni–Zn batteries, offering a promising pathway toward next-generation sustainable aqueous energy storage systems. Keywords. Nickel–zinc batteries; Nickel–cobalt LDH; Activated carbon; Binder-free electrode; Hydrothermal synthesis; Electrodeposition; Cyclic voltammetry (CV) modeling; Galvanostatic charge–discharge (GCD) modeling; Energy storage mechanism; Redox kinetics; Transition-metal doping; Density functional theory (DFT); Aqueous rechargeable battery.

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:	Harrabi, Khalil and Mekki, Abdelkarim Mustafa and Rao, Saleem Ghaffar
Depositing User:	YUDA PRIMA HARDIANTO (g202112890)
Date Deposited:	24 Dec 2025 11:22
Last Modified:	24 Dec 2025 11:22
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143857