Nízko-dimenzionální uhlíkové materiály pro skladování energie

Vít KVASNIČKA

Bakalářská práce

Low dimensional carbon materials for energy storage

Abstract:

The aim of this bachelor's thesis was to study the development of previously unexplored three-dimensional all-covalent networks of sulphurized graphene/carbon nanotube hybrids derived from fluorocarbon nanomaterials and evaluate these seamless nanocarbon hybrids as cathode electrodes in lithium sulphur batteries. The motivation behind the study of such covalent integration of carbon nanotubes into the, as well, covalently sulphurized graphene originates from the sluggish performance of battery cathodes at high charging rates, a problem which is even more pronounced in lithium-sulphur batteries, due to the insulating nature of sulphur. By leveraging the recent discovery of diamond-like sp3 bond formation between carbon atoms during fluorographene functionalization, we hypothesized that covalent nanocarbon hybrids could be realized between carbon nanotubes and graphene sheets during the functionalization of mixtures of their fluorinated counterparts. Owing to the direct carbon-carbon bonds, the resulting seamlessly interconnected superstructures could exhibit previously unattainable conductivities leading to advanced battery systems. During the functionalization of fluorinated carbon nanotube and graphene mixtures with sodium polysulphides, the reaction proceeded effectively, as demonstrated by the extensive defluorination and the experimentally confirmed covalent C-S bonds, which are also necessary to effectively limit the shuttling effect of polysulphides, another major limitation in lithium sulphur batteries. To verify the initial hypothesis, the hybrid graphene/carbon nanotube cathode was subjected to electrochemical testing in a lithium-sulphur battery half-cell against lithium metal at both low and high charging rates. The accumulated data showed the unprecedented retention of the same capacity, irrespective of the charging/discharging rates, thus supporting the initial hypothesis. Further verification of the key role of the covalent bonding on the "electrical wiring" between the sulphurized graphene sheets via the carbon nanotubes was collected from the very different behavior of a similar cathode material but without the presence of the carbon nanotubes, as well as from previously reported carbon nanotube-containing electrodes (without direct covalent linkages), which showed large dependence on charging rates, in contrast to the present electrode. The current results show a possible way to achieve a goal which is considered as the holy grail in battery research, since the sluggish charging rates (i.e. long times to recharge an electric vehicle) is one of their major shortcomings for the effective electrification of the transportation sector.

Abstract:

Cílem této bakalářské práce bylo studovat vývoj dosud neprozkoumaných trojrozměrných kovalentních sítí hybridů sirného grafenu a uhlíkových nanotrubic odvozených od fluorovaných uhlovodíkových nanomateriálů a vyhodnotit tyto bezešvé nanouhlíkové hybridy jako katodové elektrody v lithiových sirných bateriích. Motivace ke studiu takové kovalentní integrace uhlíkových nanotrubic do stejně kovalentně sířeného grafenu vychází z pomalého výkonu katod baterií při vysokých rychlostech nabíjení, což je problém, který je u lithium-sirných baterií ještě výraznější vzhledem k izolační povaze síry. S využitím nedávného objevu vzniku diamantové sp3 vazby mezi atomy uhlíku během funkcionalizace fluorografenu jsme předpokládali, že kovalentní nanouhlíkové hybridy by mohly být realizovány mezi uhlíkovými nanotrubicemi a grafenovými listy během funkcionalizace směsí jejich fluorovaných protějšků. Díky přímým vazbám uhlík-uhlík by výsledné plynule propojené superstruktury mohly vykazovat dříve nedosažitelné vodivosti vedoucí k pokročilým bateriovým systémům. Během funkcionalizace směsí fluorovaných uhlíkových nanotrubic a grafenu s polysulfidem sodným probíhala reakce efektivně, což se projevilo rozsáhlou defluorací a experimentálně potvrzenými kovalentními vazbami C-S, které jsou rovněž nezbytné pro účinné omezení tzv. shuttlingového efektu polysulfidů, což je další zásadní omezení u lithiových sirných baterií. Pro ověření původní hypotézy byla hybridní katoda grafen/uhlíkové nanotrubice podrobena elektrochemickému testování v poločlánku lithium-sírové baterie proti kovovému lithiu při nízké i vysoké rychlosti nabíjení. Shromážděné údaje ukázaly bezprecedentní zachování stejné kapacity bez ohledu na rychlost nabíjení/vybíjení, což potvrzuje původní hypotézu. Další ověření klíčové role kovalentní vazby na "elektrické zapojení" mezi sirnými listy grafenu prostřednictvím uhlíkových nanotrubic bylo získáno ze zcela odlišného chování podobného katodového materiálu, ale bez přítomnosti uhlíkových nanotrubic, a také z dříve popsaných elektrod obsahujících uhlíkové nanotrubice (bez přímých kovalentních vazeb), které na rozdíl od současné elektrody vykazovaly velkou závislost na rychlosti nabíjení. Současné výsledky ukazují možnou cestu k dosažení cíle, který je považován za svatý grál ve výzkumu baterií, protože pomalá rychlost nabíjení (tj. dlouhá doba dobíjení elektromobilu) je jedním z jejich hlavních nedostatků pro efektivní elektrifikaci dopravního sektoru.

Keywords

lithium-sirné baterie, fluorografen, fluorované uhlíkové nanotrubice, nanomateriály, elektrochemie

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 6. 5. 2022

Obhajoba závěrečné práce

• Vedoucí: Aristeidis Bakandritsos, Ph.D.

UNIVERZITA PALACKÉHO V OLOMOUCI

Přírodovědecká fakulta

Bakalářský studijní program / obor:
Chemie / Nanomateriálová chemie