Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/11359
Title: Ανάπτυξη δομικών στοιχείων αποθήκευσης ενέργειας με χρήση οργανωμένων δομών γραφενίου
Other Titles: Development of structural energy storage devices using graphene nanoplatelets
Authors: Γιαννόπουλος, Δημοσθένης
Keywords: Γραφένιο
Αποθήκευσης ενέργειας
Υπερπυκνωτές
Σύνθετα υλικά
Ημι-στέρεοι πολυμερικοί ηλεκτρολύτες
Keywords (translated): Graphene
Energy storage
Supercapacitors
Composite materials
Polymer quasi-solid electrolytes
Abstract: Το γραφένιο, μια κατηγορία δισδιάστατων αλλότροπων του άνθρακα, έχει αναδειχθεί ως ένα νέο συναρπαστικό υλικό που έχει αξιοσημείωτη εφαρμογή σε διάφορους τομείς. Λόγω της υψηλής ειδικής επιφάνειας, της καλής χημικής σταθερότητας και των εξαιρετικών ηλεκτρικών ιδιοτήτων, το γραφένιο αποτελεί ένα από τους ιδανικούς υποψήφιους για νέας γενιάς αποθηκευτικές διατάξεις. Στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας, κατασκευάστηκαν διάφοροι τύποι υβριδικών ηλεκτροδίων, αποτελούμενοι από νανοπλακίδια γραφενίου και διαφορετικές κατά βάρους αναλογίες σωματιδίων του μαγγανίου (MnO2) ή του αγώγιμου πολυμερούς πολυανιλίνη (PANI) για εφαρμογή σε υπερπυκνωτές, με στόχο την επίτευξη υψηλότερης ειδικής χωρητικότητας σε συνδυασμό με μηχανική ανθεκτικότητα. Η μορφολογία και το πάχος των ηλεκτροδίων γραφενίου χαρακτηρίσθηκαν μέσω ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM). Πραγματοποιήθηκαν επίσης πειράματα σχετικά με τη δομική ακεραιότητα και την ικανότητα αποθήκευσης ενέργειας των ηλεκτροδίων. Στη συνέχεια, παρασκευάστηκαν ημι-στερεάς κατάστασης ηλεκτρολύτες αποτελούμενοι από τον πλαστικοποιητή (succinonitrile, SN) και το ιοντικό υγρό (1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate, BMImBF4) παγιδευμένο μέσα στο συμπολυμερές πολυβινυλυδενοφθορίδιο-εξαφθοροπροπυλένιο (Poly vinylidenefluoride-hexafluoropropylene, PVDF-HFP), σε διάφορες κατά βάρους αναλογίες, με σκοπό τη χρήση τους ως ιοντικοί αγωγοί στους υπερπυκνωτές. Η συγκέντρωση του ιοντικού υγρού μεταβαλλόταν για το προσδιορισμό της επίδρασής της στην ιοντική αγωγιμότητα της συσκευής, ενώ η προσθήκη του πλαστικοποιητή παρήγαγε μια πιο συμπαγή συσκευή. Η διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης (Differential Scanning Calorimetry, DSC) χρησιμοποιήθηκε για το χαρακτηρισμό των θερμικών ιδιοτήτων των πολυμερικών ηλεκτρολυτών. Οι μελέτες DSC επιβεβαίωσαν ότι οι πολυμερείς ηλεκτρολύτες παραμένουν σταθεροί στην ίδια φάση για μια ευρεία περιοχή θερμοκρασιών από -40 έως 100 °C. Η διαμόρφωση του υπερπυκνωτή ξεκινούσε με τον εμποτισμό ινών άνθρακα με την πάστα γραφενίου, διαμορφώνοντας με αυτό το τρόπο σύνθετα ηλεκτρόδια. Στη συνέχεια, οι πολυμερικοί ηλεκτρολύτες εφαρμόζονταν και στερεοποιούνταν μεταξύ των ηλεκτροδίων γραφενίου. Ένας συμπαγής υπερπυκνωτής πρόκυπτε τελικά με τη χρήση ινών γυαλιού εμποτισμένες με τον ηλεκτρολύτη ως διαχωριστής για την αποφυγή της επαφής των ηλεκτροδίων. Η ηλεκτροχημική συμπεριφορά των υπερπυκνωτών αξιολογήθηκε μέσω της κυκλικής βολταμετρίας και γαλβανοστατικής φόρτισης/εκφόρτισης. Η μέγιστη τιμή ειδικής χωρητικότητας που επιτεύχθηκε με τη χρήση πολυμερικού ηλεκτρολύτη ήταν 238 F g-1, πολύ κοντά δηλαδή στη τιμή 250 F g-1 που παρουσίασε αποθηκευτικό στοιχείο με υγρό ηλεκτρολύτη. Τέλος, πραγματοποιήθηκαν πειράματα εφελκυσμού σε συνθήκες περιβάλλοντος για το προσδιορισμό της μηχανικής συμπεριφοράς των υπερπυκνωτών. Τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης είναι ενθαρρυντικά και αποτελούν σκαλοπάτι για την ανάπτυξη υλικών με υψηλή απόδοση στο πεδίο της αποθήκευσης ενέργειας με εφαρμογή στα φορητά ηλεκτρονικά που βασίζονται σε νανο-σύνθετα υλικά.
Abstract (translated): Graphene, a class of two-dimensional allotrope of carbon-based materials, is emerged as exciting novel material that has notable application in various fields. Due to its high specific surface area, good chemical stability and outstanding electrical properties, graphene is one of ideal candidates for next generation storage devices. In the present investigation, various types of hybrid formation electrodes, consisting of graphene nanoplatelets and different weigh ratios of MnO2 particles or conductive polymer PANI, were fabricated for application to supercapacitors, to achieve higher specific capacitance combined with mechanical robustness. The morphology and thickness of the graphene electrodes were characterized by Scanning Electron Microscopy (SEM). Experiments on structural integrity and energy storage capacity of the electrodes were also carried out. Quasi solid-state electrolytes, consisting of different wt% loadings of succinonitrile (SN) as plasticizer and the ionic liquid 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate (BMImBF4) entrapped within the structure copolymer poly vinylidenefluoride-hexafluoropropylene (PVDF-HFP), were prepared to be utilized as ionic conductors in supercapacitors. The ionic liquid concentration varied to investigate the effect on the ionic conductivity of the device while the addition of the plasticizer produced a more compact device. Differential scanning calorimetry (DSC) was used to characterize the thermal stabilities of the electrolytes. DSC studies confirmed that polymer electrolytes remain stable in the same phase over a wide temperature range of -40 to 100 °C. The configuration of supercapacitor started by impregnating carbon fibers with the graphene paste, creating this way composites electrodes. Polymer electrolyte was then applied and solidified between graphene electrodes. A compact supercapacitor was assembled finally by using glass fibers as separator impregnated with electrolyte to avoid contact of the electrodes. The electrochemical behavior of the supercapacitors was evaluated by cyclic voltammetry and galvanostatic charge/discharge. The maximum value of specific capacitance achieved using polymer electrolyte was 238 F g-1, very close to the value of 250 F g-1 that presented with liquid electrolyte. Finally, tensile experiments were performed at ambient conditions to determine the mechanical behavior of the supercapacitors. The results of this study are very promising for the development of materials with high performance in the field of energy storage with applications to wearable electronics, based on nano-composite materials.
Appears in Collections:Τμήμα Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικών (ΜΔΕ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Nemertes_Giannopoulos(aer).pdf2.02 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.