Sinteza i karakterizacija nanostrukturiranih silicijskih anoda za Li-ion članke

doktorski rad

• Naslov (engleski): Synthesis and characterization of nanostructured silicon anodes for Li-ion cells
• Autor: Matea Raić
• Mentor: Vilko Mandić (mentor)
• Mentor: Mile Ivanda (mentor)
• Član povjerenstva: Zoran Mandić (predsjednik povjerenstva)
• Član povjerenstva: Marijana Kraljić Roković (član povjerenstva)
• Član povjerenstva: Damir Kralj (član povjerenstva)
• Ustanova koja je dodijelila akademski / stručni stupanj: Sveučilište u Zagrebu; Fakultet kemijskog inženjerstva i tehnologije; Zagreb
• Datum i država obrane: 2022-12-06, Hrvatska
• Znanstveno / umjetničko područje, polje i grana: PRIRODNE ZNANOSTI; Kemija; Primijenjena kemija
• Univerzalna decimalna klasifikacija (UDC): 54 - Kemija. Kristalografija. Mineralogija

Sažetak

Li-ionski galvanski članak je složen sustav pretvorbe i pohrane energije i kao takav predmet je mnogih istraživanja s ciljem upoznavanja mehanizma litijacije i unaprjeđenja elektrokemijskih značajki. U ovom radu istraživani su anodni materijali na bazi silicija za primjenu u Li-ionskim galvanskim člancima. Sintetizirani nanostrukturirani materijali karakterizirani su morfološki i strukturno. Isti materijali ispitani su kao elektrodni materijali za Li-ionske galvanske članke testirane u obliku dvoelektrodne ćelije posebno dizajnirane i izrađene u Laboratoriju za molekulsku fiziku i sinteze novih materijala. Uzorak „saćastog“ poroznog silicija dodatno unaprijeđenog srebrovim nanočesticama pokazao je superiorna elektrokemijska svojstva visokog kapaciteta od 3333 mAh g^−1 pri 0,067 A g^−1 i 2400 mAh g^−1 pri 0,2 A g^−1. U svrhu optimiranja pripravljene su elektrode u tri različite debljine: 20, 40 i 60 μm. Metodom elektrokemijske impedancijske spektroskopije (EIS) detaljno je ispitan mehanizam vezanja Li+ iona kojom se pokazalo da je u slučaju tanjih slojeva interkalacija olakšana. Nadalje, kako bi se povećao broj ciklusa punjenja i pražnjenja, elektrolit je unaprijeđen dodatkom fluoretilen karbonata (FEC) čime je postignuto da nakon 60 ciklusa inicijalni kapacitet padne na 50 % vrijednosti, dok bez dodatka elektrolitu kapacitet već nakon 10 ciklusa padne na 20 % inicijalnog kapaciteta. In situ Ramanovom spektroskopijom praćen je proces litijacije u ovisnosti o potencijalu i vremenu čime je potvrđena promjena u morfologiji kristalnog silicija kao i stvaranje krute elektrolitne faze (SEI). Ovaj rad daje detaljan pregled cijelog procesa od priprave do testiranja materijala galvanskih članaka i umnogome pridonosi razumijevanju mehanizama vezanja i otpuštanja litijevih iona u strukturu poroznog silicija.

Sažetak (engleski)

The lithium-ion (Li-ion) cell is a complex energy conversion and storage system that has been the subject of many studies investigating the lithiation mechanism and improving its electrochemical properties. In this work, silicon-based anode materials were investigated for use in Li-ion cells. Prepared electrodes were tested as electrode materials for Li-ion cells in the form of two-electrode cell specially designed and made in our laboratory. A sample of “honeycomb” porous silicon, enhanced with silver nanoparticles, showed excellent electrochemical properties with a capacity of 3333 mAh g^−1 at 0.067 A g^−1 and 2400 mAh g^−1 at 0.2 A g^−1. To optimize the electrodes, we prepared three different electrode thicknesses: 20, 40 and 60 μm. Using electrochemical impedance spectroscopy (EIS), we investigated the intercalation mechanism of Li+ ions in detail and found that diffusion is facilitated for thinner films. To increase the number of charge and discharge cycles, we improved the electrolyte by adding fluoroethylene carbonate (FEC), which resulted in the capacity fading to 50 % of the initial capacity after 60 cycles, while without the addition of FEC the capacity dropped to 20 % of the initial capacity after 10 cycles. Using in situ Raman spectroscopy, we studied the evolution lithiation as a function of potential and time, which confirmed the change in morphology of the crystalline silicon and formation of a solid electrolyte phase (SEI). This work provides a detailed overview of the entire process from preparation to testing of galvanic cell materials and contributes significantly to the understanding of the mechanisms of alloying and dealloying lithium ions into the structure of porous silicon.

• Ključne riječi: Li-ionski galvanski članci; litijacija; optimiranje elektrode; porozni silicij; silicijeve anode
• Ključne riječi (engleski): Li-ion cell; lithiation; electrode optimization; porous silicon; silicon anode
• Jezik: hrvatski
• URN:NBN: urn:nbn:hr:149:713190
• Datum promocije: 2023
• Studijski program: Naziv: Kemijsko inženjerstvo i primijenjena kemija; Vrsta studija: sveučilišni; Stupanj studija: doktorski studij; Akademski / stručni naziv: doktor/doktorica znanosti u području prirodnih znanosti (dr. sc. natur.)
• Vrsta resursa: Tekst
• Opseg: XII, 137, [2] str. ; 30 cm
• Način izrade datoteke: Izvorno digitalna
• Prava pristupa: Otvoreni pristup
• Datum i vrijeme pohrane: 2023-03-21 10:10:24