Pokročilé membránové nanokompozitní materiály pro energetické využití

Lukáš Plesník

Disertační práce

Advanced membrane nanocomposite materials for energy use

Anotace:

Disertační práce představuje komplexní studii polymerního kompozitního materiálu, jehož využití je cíleno primárně do energetiky. Práce zahrnuje systematicky řízenou přípravu a charakterizaci polymerních nanokompozitních membrán na bázi polyvinylidenfluoridu (PVDF), kopolymeru poly(vinylidenfluorid-ko-chlortrifluorethylenu) (PVDF-CTFE) a směsi PVDF s polyethylenoxidem (PEO), a následné testování užitných vlastností určených pro aplikaci jako bateriové separátory v Li-iontových sekundárních bateriích. Hlavním cílem práce bylo navrhnout a experimentálně ověřit vhodnost vybrané metody přípravy polymerních nanokompozitních materiálů s nanoplnivy na bázi vermikulitu, oxidu zinečnatého a jejich kombinace a prokázat jejich vliv na strukturní, morfologické, fázové, termické, mechanické a elektrochemické vlastnosti výsledných membrán. Práce prokázala, že přítomnost vermikulitu v polymerní matrici zvyšuje podíl elektroaktivních fází PVDF z 33–38 % u čisté matrice na 64–79 % nezávisle na metodě a podmínkách přípravy. Proces lisování za zvýšené teploty vymezil teplotní stabilitu elektroaktivních fází a interkalace. Kompozitní membrány PVDF-CTFE obsahující vermikulit vykazují výrazné potlačení hoření: maximální rychlost uvolňování tepla se snížila z 272,0 ± 6,6 na 47,4 ± 2,5 W·g⁻¹ a celkové uvolnění tepla z 8,19 ± 0,40 na 2,10 ± 0,21 kJ·g⁻¹, přičemž elektrochemická stabilita je zachována do 6 V. V matrici PVDF/PEO vedla přítomnost nanoplniva ZnO/vermikulit ke zvýšení elektrochemické stability z 4,0 V na více než 6,0 V, přičemž vybíjecí kapacita po 50 nabíjecích/vybíjecích cyklech dosáhla 135 mAh·g⁻¹. Požadované kombinace aplikačních vlastností – potlačení hoření, mechanická odolnost a iontový transport – nejlépe splňují materiály využívající nanoplnivo ZnO/vermikulit v matrici PVDF-CTFE nebo PVDF/PEO. Teoretické a experimentální práce byly realizovány v laboratořích a na přístrojovém vybavení Centra nanotechnologií (CEET), VŠB-TUO.

Abstract:

The dissertation represents a comprehensive study of a polymer composite material, the use of which is primarily aimed at the energy industry. The work includes the systematic controlled preparation and characterization of polymer nanocomposite membranes based on polyvinylidene fluoride (PVDF), poly(vinylidene fluoride-co-chlorotrifluoroethylene) copolymer (PVDF-CTFE) and a mixture of PVDF with polyethylene oxide (PEO), and subsequent testing of utility properties intended for application as battery separators in lithium-ion secondary batteries. The main objective of the work was to design and experimentally verify the suitability of the selected method for the preparation of polymer nanocomposite materials with nanofillers based on vermiculite, zinc oxide and their hybrid compositions and to demonstrate their influence on the structural, morphological, phase, thermal, mechanical and electrochemical properties of the resulting membranes. The work demonstrated that the presence of vermiculite in the polymer matrix increases the proportion of electroactive PVDF phases from 33–38 % in the pure matrix to 64–79 %, independent of the preparation method and conditions. The pressing process at elevated temperature determined the thermal stability of the electroactive phases and intercalation. PVDF-CTFE composite membranes containing vermiculite show significant flame suppression: the maximum heat release rate decreased from 272.0 ± 6.6 to 47.4 ± 2.5 W g⁻¹ and the total heat release from 8.19 ± 0.40 to 2.10 ± 0.21 kJ g⁻¹, while electrochemical stability was maintained up to 6 V. In the PVDF/PEO matrix, the presence of the ZnO/vermiculite hybrid nanofiller increased the electrochemical stability from 4.0 V to more than 6.0 V, with the discharge capacity reaching 135 mAh g⁻¹ after 50 charge/discharge cycles. The required combinations of application properties – flame suppression, mechanical resistance and ion transport – are best met by materials using the ZnO/vermiculite hybrid nanofiller in the PVDF-CTFE or PVDF/PEO matrix. Theoretical and experimental work was carried out in the laboratories and on the instrumentation of the Center for Nanotechnology (CEET), VŠB-TUO.

Klíčová slova

polymerní nanokompozitní membrána, Li-iontová baterie, PVDF, PVDF-CTFE, PEO, ZnO/vermikulit nanoplniva

Keywords

polymer nanocomposite membrane, Li-ion battery, PVDF, PVDF-CTFE, PEO, ZnO/vermiculite nanofillers

Jazyk práce: čeština

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 1. 9. 2026

Obhajoba závěrečné práce

• Vedoucí: Gražyna Simha Martynková

VŠB – Technická univerzita Ostrava

Fakulta materiálově-technologická

Doktorský studijní program:
Nanotechnologie