Vis enkel innførsel

dc.contributor.advisorWiik, Kjell
dc.contributor.advisorKaland, Henning
dc.contributor.advisorFagerli, Frode Håskjold
dc.contributor.authorBoge, Lars-Arne
dc.date.accessioned2019-10-04T14:00:28Z
dc.date.available2019-10-04T14:00:28Z
dc.date.issued2019
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11250/2620419
dc.description.abstractOppladbare magnesiumbatterier er spådd å kunne utkonkurrere moderne Li-ion-batterier når det kommer til volumetrisk kapasitet, sikkerhet, pris og skaleringspotensiale. Hovedutfordringene som står i veien for utviklingen og kommersialiseringen av magnesiumbaserte batterier består av å utvikle katodematerialer som kan fungere som vert for Mg-ioner, og i tillegg utvikle elektrolytter som er kompatible med anoder av magnesiummetall. En relativt ny familie av todimensjonale overgangsmetallkarbider, nitrider og karbonitrider, kjent som MXener, har blitt foreslått som mulige bestanddeler i forskjellige katodetyper for oppladbare magnesiumbatterier, med bakgrunn i at materialene har god elektroniske ledningsevne og gode interkaleringsegenskaper. I dette prosjektet har V2C MXene, som tidligere har vist seg å interkalere mono-, di- og trivalente ioner, blitt syntetisert og elektrokjemisk testet som bestanddel i forskjellige typer katoder, med hensikt å vurdere materialets egnethet som bestanddel i katoder for oppladbare magnesiumbatterier. I fremstillingen av V2C MXenen ble først V2AlC MAX-fasen, som er utgangsfasen, syntetisert ved sintring av en blanding av vanadium-, aluminium- og karbonpulverforløpere, etterfulgt av eksfoliering av monolagene med aluminium fra MAX-fasestrukturen ved bruk av en løsning med konsentrert flussyre. Partikkelstørrelsen og etsetiden ble optimalisert med fokus på fullstendig fjerning av aluminiumslagene fra MAX-fasestrukturen. I tillegg ble en V2C -S kompositt syntetisert med en teknikk basert på diffusjon av flytende svovel. Krystallinitet, fase renhet, morfologi og kjemisk sammensetning av MAX-fasen, MXenen og kompositten ble karakterisert ved røntgendiffraksjon, elektronmikroskopi og energidispersiv røntgenspektroskopi. Innsettingskatodene ble fremstilt ved å dryppe en oppslemming som inneholdt MXene-materialet på grafittpapirskiver, mens konverteringskatodene ble fremstilt ved støping av en oppslemming inneholdende MXene-S-kompositten på aluminiumsfolie. Knappceller med innsettingskatoder ble satt sammen med tre forskjellige elektrolytter og testet ved elektrokjemisk sykling. Konverteringskatodene ble inkorporert i både Mg-S og Li-S-systemer og testet ved elektrokjemisk sykling. Etter sykling ble Mg-S-systemet demontert og post-mortem elektronmikroskopi og energidispersiv røntgenspektroskopi ble utført, med det formål å undersøke om potensielle sidereaksjoner hadde funnet sted under syklingen. De optimaliserte etseparametrene resulterte i fullstendig eksfoliering av V2AlC MAX-fasen, noe som ga et V2C MXene pulver fritt for den overordnede MAX-fasen, men med signifikante mengder sekundære faser. Under den elektrokjemiske syklingen viste cellene med innsettingskatoder ekstremt dårlige ytelse og veldig lave ladnings- og utladningskapasiteter, som tyder på at reversibel interkalering av Mg-ioner i MXene-strukturen ikke fant sted. Mg-S-systemet med V2C-S konverteringskatode viste en relativt høy utladningskapasitet på 312,4 mAh / g for den første syklusen, men viste senere tegne til alvorlig skyttel av polysulfider under sykling, og dette ble bekreftet av post-mortem undersøkelsene. Dette resulterte i en veldig begrenset ytelse i de resterende syklene. Li-S-systemene som benyttet konverteringskatoder viste gode kapasiteter på ca. 400 mAh / g for flere hundre påfølgende sykluser, og dette verifiserte at konverteringskatoden fungerte som den skulle. Til tross for de dårlige ytelsene som observeres for magnesiumbatteriene i dette prosjektet, bør ytterligere innsats rettes mot å undersøke mulige veier for å oppnå Mg-ion-interkalering i innsettingskatoder, så vel som mulige måter å redusere skyttel-effekten av polysulfider som hindrer realisering av praktiske Mg-S batterier.
dc.description.abstractRechargeable magnesium batteries are envisioned to outperform state-of-the-art Li-ion batteries with regard to volumetric capacity, safety, cost and scalability. The major challenges halting the development and commercialization of magnesium based batteries consist of finding cathode materials that are able to host Mg-ions, and electrolytes that are compatible with magnesium metal anodes. A relatively new family of two-dimensional transition metal carbides, nitrides and carbonitrides, known as MXenes, have been proposed as possible constituents in different cathode designs for rechargeable magnesium batteries, due to their favourable electronic conductivity and intercalation properties. In this work, V2C MXene, which has previously been demonstrated to intercalate mono-, di- and trivalent ions, has been synthesised and electrochemically characterized in different cathode designs to assess its performance as a constituent in cathodes for rechargeable magnesium batteries. To prepare the V2C MXene, the parent V2AlC MAX phase was synthesised by sintering a mixture of vanadium, aluminium and carbon powder precursors, followed by exfoliation of the aluminium monolayers from the MAX phase structure utilizing a solution of concentrated hydrofluoric acid. The particle size and etching duration were optimized with regard to completeness of the exfoliation process. Additionally, a V2C-S composite was synthesised by a melt diffusion technique. The crystallinity, phase purity, morphology and elemental composition of the MAX phase, MXene and composite material were characterized by X-ray diffraction, scanning electron microscopy and energy-dispersive X-ray spectroscopy. Insertion type cathodes were prepared by drop casting a slurry containing the MXene material onto graphite paper discs, while conversion type cathodes were prepared by tape casting a slurry containing the MXene-S composite onto aluminium foil. Coin cells utilizing the insertion cathodes were assembled using three different electrolytes, and tested by electrochemical cycling. The conversion cathodes were assembled in both Mg-S and Li-S systems, and tested by electrochemical cycling. After cycling, the Mg-S system was disassembled and subjected to post-mortem characterization by scanning electron microscopy and energy-dispersive X-ray spectroscopy, with the purpose of investigating possible side reactions. The optimized etching parameters were found to result in the complete exfoliation of the V2AlC MAX phase, yielding a V2C MXene powder free of the parent MAX phase. Although, significant amounts of secondary phases were observed in the synthesised MXene samples. During the electrochemical cycling, the cells utilizing the insertion cathodes displayed extremely poor performances with negligible charge and discharge capacities, suggesting that reversible intercalation of Mg-ions into the MXene structure was not taking place as intended. The Mg-S system utilizing a V2C-S conversion cathode displayed a decent initial discharge capacity of 312.4 mAh/g, but was found to suffer from serious polysulfide shuttling, which was confirmed by the post-mortem investigation, resulting in a severely limited cycling performance following the initial cycle. The Li-S systems utilizing the conversion cathodes displayed decent capacities of approximately 400 mAh/g for several hundred consecutive cycles, thus verifying the conversion cathode design. In spite of the poor performances observed for the magnesium battery systems in this work, further efforts should be directed towards investigating possible routes to achieve Mg-ion intercalation in the insertion cathodes design, as well as possible ways to mitigate the polysulfide shuttling effect hindering the realization of practical Mg-S batteries.
dc.languageeng
dc.publisherNTNU
dc.titleExploring V2C MXene as Cathode Constituent for Rechargeable Magnesium Batteries
dc.typeMaster thesis


Tilhørende fil(er)

Thumbnail

Denne innførselen finnes i følgende samling(er)

Vis enkel innførsel