Development of Cathode Composite Materials for Improving Performance in All-Solid-State Lithium-Sulfur Batteries. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (MS Thesis) MS Thesis File_Ananda Sholeh Rifky Hakim_202304170.pdf - Other Restricted to Repository staff only until 7 June 2027. Download (4MB)

Arabic Abstract

تُعد بطاريات الليثيوم–الكبريت ذات الحالة الصلبة بالكامل من الأنظمة الواعدة لتخزين الطاقة نظرًا لما توفره من سعة نظرية عالية، إلا أن أداءها العملي لا يزال محدودًا بسبب بطء تفاعلات التحول الصلب للكبريت داخل الكاثود. تهدف هذه الرسالة إلى تطوير مواد كاثودية مركبة قائمة على الكبريت من خلال التحكم في طريقة تحضير الكاثود، وكيمياء الإلكتروليت الصلب داخل الكاثود، وتصميم مضيفات كبريتية تحتوي على مكونات كربونية ومعدنية. في الدراسة الأولى، تم تحضير كاثودات مركبة من الكبريت وكربون كيتجن بلاك والإلكتروليت الكبريتيدي الصلب بنسبة ثابتة من S:KB:SE، وذلك باستخدام الطحن اليدوي أو الطحن الكروي، مع استخدام β-Li₃PS₄ أو Li₆PS₅Cl بوصفهما إلكتروليتين صلبين داخل الكاثود. أظهرت الكاثودات المحضرة بالطحن اليدوي استفادة محدودة من الكبريت تحت ظروف الخلط المعتدلة، بينما أدى الطحن الكروي إلى تحسين تنشيط الكبريت بشكل ملحوظ، كما أظهر استقرارًا أفضل أثناء التدوير وأداءً أعلى عند معدلات التيار المختلفة، مما يوضح أن اختيار الإلكتروليت الصلب داخل الكاثود يعتمد على طريقة التحضير. في الدراسة الثانية، تم تصنيع مركب S@Ta@rGO من خلال إدخال الكبريت بمساعدة الانصهار، متبوعًا بالطحن الكروي لمادة الكاثود بهدف إنتاج مضيف كبريتي موصل ومهندس الواجهات البينية. وقد صُمم دمج التانتالوم وأكسيد الجرافين المختزل لتحسين الترابط الإلكتروني، واحتجاز الكبريت، وتسهيل الوصول إلى تفاعلات الحالة الصلبة. وبشكل عام، تُظهر هذه الرسالة أن أداء بطاريات الليثيوم–الكبريت ذات الحالة الصلبة بالكامل يمكن تحسينه من خلال الهندسة المتزامنة لمضيف الكبريت، وكيمياء الإلكتروليت الصلب داخل الكاثود، ومسار المعالجة الميكانيكية الكيميائية.

English Abstract

All-solid-state lithium-sulfur batteries (ASSLSBs) offer high theoretical capacity but are constrained by sluggish solid-state sulfur conversion. This thesis develops sulfur composite cathode materials by controlling cathode processing, catholyte chemistry, and carbon/metal-containing sulfur host design. In the first study, sulfur/Ketjenblack/sulfide-electrolyte cathodes with a fixed S:KB:SE ratio were prepared using either hand grinding (HG) or ball milling (BM), with β-Li3PS4 (LPS) or Li6PS5Cl (LPSCl) as the catholyte. Hand-ground cathodes showed limited sulfur utilization, under mild mixing. Ball milling greatly improved sulfur activation, showed better cycling stability and rate behavior, demonstrating that catholyte selection is processing-dependent. In the second study, an S@Ta@rGO composite was fabricated by melting-assisted sulfur incorporation, followed by ball milling of cathode material to produce a conductive, interfacially engineered sulfur host. The integration of tantalum and reduced graphene oxide was designed to improve electronic connectivity, sulfur confinement, and solid-state reaction accessibility. Overall, this thesis shows that ASSLB cathode performance can be improved by simultaneously engineering the sulfur host, catholyte chemistry, and the mechanochemical processing route.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Chemistry Engineering Chemical Engineering Research Physics
Department:	College of Chemicals and Materials > Materials Science and Engineering
Thesis Advisor:	Atif Alzahrani,
Thesis Committee Members:	Qasem Drmosh, Md Aziz,
Depositing User:	ANANDA HAKIM
Date Deposited:	08 Jun 2026 05:58
Last Modified:	08 Jun 2026 05:58
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144521