Badanie wpływu metody redukcji tlenku grafenu na jego właściwości użytkowe
[ 1 ] Instytut Fizyki, Wydział Fizyki Technicznej, Politechnika Poznańska | [ D ] phd student
[ 1 ] Instytut Fizyki, Wydział Fizyki Technicznej, Politechnika Poznańska | [ P ] employee
polish
PL W pracy zostały podjęte zagadnienia wpływu rodzaju zastosowanej metody redukcji tlenku grafenu (GO) na strukturę i właściwości uzyskanego w ten sposób zredukowanego tlenku grafenu (rGO). Powyższa analiza została wykonana w kontekście zastosowania rGO jako anodowego materiału elektrodowego w ogniwach litowo-jonowych. W pracy dokonano analizy struktury GO oraz opisano najważniejsze znane z literatury metody redukcji GO. Następnie przedstawiono podstawowe informacje związane z ogniwami litowo-jonowymi, ze szczególnym uwzględnieniem anod węglowych, w tym głównej mierze anody grafitowej, oraz przedstawiono główne wyniki literaturowe uzyskane dla anod opartych na rGO. Główną przewagą wynikającą z zastąpienia w ogniwach litowo-jonowych anody grafitowej anodą z rGO jest możliwość uzyskania wyższych pojemności elektrochemicznych. Jednakże efekt wzrostu pojemności nie zawsze jest obserwowany i wyraźnie jest on zależny od zastosowanej metody redukcji. Wykorzystanie rGO jako materiału anodowego wiąże się również z ograniczeniami, takimi jak: brak plateau na krzywej ładowania/wyładowania elektrody, ograniczenie pojemności elektrochemicznej przy obciążaniu ogniwa dużymi prądami, czy też spadek pojemności w funkcji ilości cykli pracy ogniwa. Nieznany jest także mechanizm gromadzenia litu w strukturze rGO, co ogranicza możliwość intencjonalnej syntezy rGO o optymalnych właściwościach elektrochemicznych ogniwa. W pracy niniejszej przedstawione są istniejące w literaturze modele i hipotezy gromadzenia litu w strukturze węgli niezorganizowanych, których przedstawicielem jest rGO. Następnie najistotniejsze z przedstawionych modeli są skonfrontowane z wynikami własnymi uzyskanymi dla elektrod z GO oraz rGO redukowanego różnymi metodami. Otrzymane wyniki wskazują na korzystny wpływ defektów w strukturze rGO na uzyskiwane pojemności. Dokonano więc analizy struktury GO, rGO redukowanego różnymi metodami oraz rGO ładowanego litem z wykorzystaniem elektronowego rezonansu paramagnetycznego EPR. Metoda ta pozwala na globalną analizę źródeł paramagnetyzmu próbki, a jako że większość defektów możliwych do wystąpienia w rGO posiada niesparowane elektrony, istnieje więc możliwość ich obserwacji w sygnale EPR. Dogłębna analiza struktury sygnałów EPR doprowadziła finalnie do wyznaczenia czterech możliwych ścieżek procesów umożliwiających gromadzenie litu w strukturze rGO. Tym samym zaproponowano pełen model opisujący mechanizm gromadzenia litu w rGO, łączący pojemność elektrochemiczną rGO z mierzalnymi parametrami strukturalnymi rGO, jakimi są: ilość paramagnetycznych centrów zlokalizowanych oraz ilość krawędzi typu zig-zag. Parametry te zależą bezpośrednio od zastosowanej metody redukcji GO i spośród analizowanych metod redukcji są największe dla rGO redukowanego termicznie. Pracę kończy mikroskopowa analiza wykonana za pomocą mikroskopii sił atomowych AFM. Jej efektem jest wyznaczenie progowej temperatury, w której następuje inicjacja redukcji termicznej GO. Pokazano, że temperatura ta, wynosząca 130°C, inicjuje zarówno proces eliminacji grup funkcyjnych z powierzchni GO, jak i wzrost przewodności płatków GO.
EN In this work the issues in a field of influence of graphene oxide (GO) reduction methods on structure and properties of reduced graphene oxide (rGO) were considered. Such analysis was conducted in context of application of rGO as an active material for anodes in lithium-ion batteries. In the work an analysis of GO structure was carries out and the most important known from the literature methods of GO reduction were present. Further, the basic concept of lithium-ion batteries were present. The main emphasis was taken on carbon anodes, especially the graphite one. Furthermore, the literature of rGO anodes were briefly described. The main advantage, in case of lithium-ion batteries, of rGO anodes over the graphite ones is the ability to obtain higher electrochemical capacities. However, the effect of capacity increase is not always observed. It should be notated, that such increase of capacity depends on the selected GO reduction method. Moreover, using rGO as an anode material is constrained by effects as: lack of plateau on electrode charge/discharge curves, limited electrochemical capacity during high current rates or decreasing the capacity during cyclic work of electrode. Also the mechanism of lithium storage in rGO is unknown. That limits the possibility of intentional synthesis of rGO for optimal electrochemical properties of batteries. As rGO is a representative of disorder carbons, in this work the existing in literature models and hypothesis of lithium storage in such group of materials were described. Presented models are confronted with authors own results for GO and rGO electrodes reduced by various methods. Result of such confrontation point the positive influence of rGO defects onto the obtained capacity. Thus, the electron paramagnetic resonance (EPR) analysis of GO, reduced by the various methods rGO and lithiated rGO were done. EPR method allow for global analysis of paramagnetism origins. As the most of rGO defects possess unpaired electrons, they can be observed in EPR signal. Careful analysis of EPR signals finally leads to develop four routes of reactions which allows to lithium storage in rGO. That allows to propose whole model describing lithium storage in rGO, which link electrochemical capacity with measurable rGO structural parameters like: amount of localized paramagnetic centers and quantity of zig-zag edges. Such parameters depends directly on the GO reduction method. Among examined reduction methods highest amount of localized paramagnetic centers and quantity of zig-zag edges exhibit the thermal reduction method. The end of this work is devoted to the microscopic analysis conducted by the means of atomic force microscopy (AFM). This result in determine the threshold temperature that initiate the thermal reduction of GO. It was shown that this temperature, verified as 130°C, initiate both: process of elimination of functional groups from GO surface and increasing of GO flakes conductivity.
97
DrOIN 1791
Przewód doktorski na starych zasadach – brak niektórych informacji
no permission to download file
archive
Bogdan Czajka
Poznań, Polska
24.04.2016
polish
no permission to download file
archive
Wojciech Sadowski
Gdańsk, Polska
23.05.2016
polish
no permission to download file
archive
dissertation
Poznań, Polska
13.06.2016
Rada Wydziału Fizyki Technicznej Politechniki Poznańskiej
doktor nauk fizycznych w dyscyplinie: fizyka