Synthesizing and characterization of electrodeposited porous nickel tin/carbon scaffold as li-ion Battery anode /
Emad Eldin Abdelmoeti Ali Ali Elsheikh,
Synthesizing and characterization of electrodeposited porous nickel tin/carbon scaffold as li-ion Battery anode / تصنيع وتوصيف هيكلية مسامية مكونة من النيكل والقصدير والكربون باستخدام الترسيب الكهربائي واختباره كآنود لبطاريات الليثيوم / by Emad Eldin Abdelmoeti Ali Ali Elsheikh ; Under the Supervision of Prof. Dr. Randa Mohamed AbdelKarim-karim, Prof. Dr. Mohamed Elwi Mitwally - 83 pages : illustrations ; 30 cm. + CD.
Thesis (M.Sc.)-Cairo University, 2023.
Bibliography: pages 76-83.
3D structured nanoporous electrodes have been considered a novel way to solve the
volume change of alloying lithium-ion battery anode materials during cycling. In this work, a
two-step process was used to deposit Sn and C. The first step is the electrodeposition of Sn on
Ni scaffold using two electrodeposition modes (direct and pulsed electrodeposition) with
different parameters, the applied duty cycles were 50% and 15% with Time Ton/Toff: 3 s /17 s;
2 s /11.333 s; 1 s / 5.667 s and 0.1 s / 0.567 s, the effective time was 2 and 3 min. In the case
of the direct deposition of Sn, the effective time was 1. 2, 3 min. The second step of the
electrodeposition process is to deposit carbon layer using the direct electrodeposition
technique via electrolysis of ethanol at a high voltage of 100 V for three hours. The structure
and surface morphology of the deposited layers were evaluated using XRD, FESEM, and
EDS analysis. The electrochemical properties were evaluated by linear polarization, cyclic
voltammetry, and (EIS) using LiPF6 solution.
In the case of the direct electrodeposition technique, the Sn layer becomes thicker, and
significantly elongated dendrites and cracks can be seen, with increasing the electrodeposition
time. Decreasing the duty cycle from duty cycle 100% (direct electrodeposition) to lower
duty cycle mode (pulsed) leads to a more refined structure formation. The pulsed
electrodeposition with a lower duty cycle (<20%) produces uniform and compact deposits.
The optimal condition is (Pulsed electrodeposition, 15% duty cycle, 2 min electrodeposition
effective time, Ton/Toff = 3/17 sec.
The morphology of the specimen after carbon electrodeposition consisted of
agglomerated nano and microparticles forming a uniform Sn layer with C. The layer is
composed of ~ 10 % C, ~ 38 % Sn, ~ 45% Ni. Some Oxygen traces were detected ~ 7 %. The
XRD analysis of this layer confirmed the presence of Ni, Sn, and C. The presence of low
intensity of carbon peaks indicates the formation of amorphous carbon.
From potentiodynamic tests, two C/Sn/Ni specimens registered a shift to a lower βa
and higher βc, namely: Pulse, 15% duty cycle, Ton/Toff: 3/17 sec with deposition time 2 min
as well as 3 min. A high β cathodic slope indicates that the reduction reaction is more
favorable, which means that the material is more likely to accept electrons and store lithium
ions.
From the CV profile for the structure C/Sn/Ni in the cathodic scan, there is no peak at
about 1.5 V confirming that Sn is well passivated by the amorphous carbon. From The peak
current vs. the scan rate relationship, the peak current for C/Sn/Ni is higher than the peak
current for Sn/Ni at all scan rates. This suggests that C/Sn/Ni is a more active electrode than
Sn/Ni. The difference in peak current between C/Sn/Ni and Sn/Ni is more pronounced at
higher scan rates. The linear relationship between the peak current and the square root of the
scan rate suggests that the charge transfer process is controlled by diffusion. The higher
diffusion coefficient in the C/Sn/Ni electrode leads to a faster rate of charge transfer.
From the EIS test, Sn/Ni Pulsed electrodeposition, 15% duty cycle, 2 min
electrodeposition effective time, Ton/Toff = 3/17 sec), represent the lowest Rp (168 Ω),
through all specimens. After electrodeposition of carbon, the obtained C/Sn/Ni composite
with a lower Rp (94 Ω), βa = 0.105, and βc = 0.202 V/decade manifests the highest apparent
and intrinsic catalytic activities. تعتبر الأقطاب المسامية النانوية طريقة جديدة لحل التغير في حجم المواد المستخدمة كأنود لبطارية الليثيوم أثناء اعادة شحنها.
في هذا العمل، تم استخدام عملية من خطوتين لترسيب الكربون والقصدير. الخطوة الأولى هي الترسيب الكهربي للقصدير باستخدام طريقتين للترسيب الكهربي (الترسيب الكهربي المباشر والنبضي) مع معاملات مختلفة حيث كانت دورات العمل المطبقة 50% و 15% مع وقت التشغيل/الإيقاف 3 ثوانٍ /17 ثانية؛ 2 ثانية /11.333 ث؛ 1 ثانية / 5.667 ثانية و 0.1 ثانية / 0.567 ثانية، كان الوقت الفعلي للترسيب 2 و 3 دقائق. أما في حالة الترسيب الكهربائي المباشر للقصدير، كان الوقت الفعال 1 و 2 و 3 دقائق. الخطوة الثانية من عملية الترسيب الكهربي هي ترسيب طبقة الكربون باستخدام تقنية الترسيب الكهربي المباشر عن طريق التحليل الكهربي للإيثانول عند جهد عالي 100 فولت لمدة ثلاث ساعات.
تم تقييم البنية والتشكل السطحي للطبقات المترسبة باستخدام تحليل حيود الاشعة السينية XRD والتصوير باستخدام الميكروسكوب الالكتروني FESEM . تم تقييم الخواص الكهروكيميائية عن طريق الجهدية الحلقيةCV و الاستقطاب الخطيLinear Polarization وقياس المقاومة ُEIS باستخدام محلول ليثيوم هكسا فلوروفوسفيت.
في حالة تقنية الترسيب الكهربائي المباشر ، تصبح طبقة القصدير أكثر سمكا ، ويمكن رؤية التشعبات الشجرية والشقوق الممدودة بشكل كبير ، مع زيادة وقت الترسيب الكهربائي. يؤدي تقليل دورة التشغيل من 100٪ (الترسيب الكهربائي المباشر) إلى وضع دورة التشغيل المنخفضة (النبضي) إلى تكوين هيكل أكثر دقة. ينتج الترسيب الكهربائي النبضي مع دورة تشغيل أقل (<20٪) طبقات متجانسة ومدمجة. الحالة المثلى هي (الترسيب الكهربائي النبضي ، 15٪) مع وقت فعلي للترسيب 2 دقيقة ومع وقت التشغيل/الإيقاف 3 ثوانٍ /17 ثانية.
تتكون البنية المجهرية للعينات بعد الترسيب الكهربائي للكربون من جسيمات نانوية ومكرويمترية متكتلة ومكونة طبقة انسيابية وموحدة من القصدير مع الكربون. تتكون الطبقة من ~ 10٪ كربون ، ~ 38٪ قصدير ، ~ 45٪ نيكل . تم الكشف عن بعض آثار الأكسجين ~ 7٪. وقد أكد تحليل XRD لهذه الطبقة وجود الكربون والنيكل والقصدير كما يشير وجود كثافة منخفضة من قمم الكربون إلى تكوين الكربون غير المتبلور.
وطبقا لنتائج اختبارات التآكل ، سجلت عينتان C / Sn / Ni تحولا إلى βa أقل و βc أعلى، وهما: العينة المصنعة باستخدام الترسيب النبضي ، دورة تشغيل 15٪ ، تشغيل/ ايقاف: 3/17 ثانية مع وقت ترسيب 2 دقيقة وكذلك 3 دقائق. يشير الميل الكاثودي العالي β إلى أن تفاعل الاختزال أكثر ملاءمة ، مما يعني أن المادة من المرجح أن تقبل الإلكترونات وتخزن أيونات الليثيوم.
أشارت نتائج الجهدية الحلقية ( CV) للعينة C / Sn / Ni في المسح الكاثودي ، أنه لا توجد ذروة عند حوالي 1.5 فولت وبالتالي فأن القصدير يتم تخميله جيدا بواسطة الكربون غير المتبلور. من العلاقة بين القيمة العظمى للتيار مقابل معدل المسح ، يكون تيار الذروة ل C / Sn / Ni أعلى من تيار الذروة ل Sn / Ni في جميع معدلات المسح. هذا يشير إلى أن C / Sn / Ni هو قطب أكثر نشاطا من Sn / Ni. يكون الفرق في تيار الذروة بين C / Sn / Ni و Sn / Ni أكثر وضوحا عند معدلات المسح الأعلى. تشير العلاقة الخطية بين القيمة العظمى التيار والجذر التربيعي لمعدل المسح إلى أن عملية نقل الشحنة يتم التحكم فيها عن طريق الانتشار. يؤدي معامل الانتشار العالي في قطب C / Sn / Ni إلى معدل أسرع لنقل الشحنة.
من اختبار EIS ، تمثل العينة ذات الترسيب الكهربائي النبضي Sn / Ni ،مع دورة التشغيل بنسبة 15٪ ، تشغيل/ ايقاف: 3/17 ثانية مع وقت ترسيب فعلي 2 دقيقة ، أدنى مقاومة Rp (168 Ω) بين جميع العينات. بينما بعد الترسيب الكهربائي للكربون لنفس العينة تظهر C / Sn / Ni الذي تم الحصول عليه مع Rp أقل (94 Ω) ، βa = 0.105 ، و βc = 0.202 V / decade محققة أعلى الأنشطة التحفيزية الواضحة والجوهرية اللازمة لأقطاب بطاريات الليثيوم.
Text in English and abstract in Arabic & English.
Electrical Engineering
Sn porous volumetric expansion Ni Foam electrodeposition
621.3
Synthesizing and characterization of electrodeposited porous nickel tin/carbon scaffold as li-ion Battery anode / تصنيع وتوصيف هيكلية مسامية مكونة من النيكل والقصدير والكربون باستخدام الترسيب الكهربائي واختباره كآنود لبطاريات الليثيوم / by Emad Eldin Abdelmoeti Ali Ali Elsheikh ; Under the Supervision of Prof. Dr. Randa Mohamed AbdelKarim-karim, Prof. Dr. Mohamed Elwi Mitwally - 83 pages : illustrations ; 30 cm. + CD.
Thesis (M.Sc.)-Cairo University, 2023.
Bibliography: pages 76-83.
3D structured nanoporous electrodes have been considered a novel way to solve the
volume change of alloying lithium-ion battery anode materials during cycling. In this work, a
two-step process was used to deposit Sn and C. The first step is the electrodeposition of Sn on
Ni scaffold using two electrodeposition modes (direct and pulsed electrodeposition) with
different parameters, the applied duty cycles were 50% and 15% with Time Ton/Toff: 3 s /17 s;
2 s /11.333 s; 1 s / 5.667 s and 0.1 s / 0.567 s, the effective time was 2 and 3 min. In the case
of the direct deposition of Sn, the effective time was 1. 2, 3 min. The second step of the
electrodeposition process is to deposit carbon layer using the direct electrodeposition
technique via electrolysis of ethanol at a high voltage of 100 V for three hours. The structure
and surface morphology of the deposited layers were evaluated using XRD, FESEM, and
EDS analysis. The electrochemical properties were evaluated by linear polarization, cyclic
voltammetry, and (EIS) using LiPF6 solution.
In the case of the direct electrodeposition technique, the Sn layer becomes thicker, and
significantly elongated dendrites and cracks can be seen, with increasing the electrodeposition
time. Decreasing the duty cycle from duty cycle 100% (direct electrodeposition) to lower
duty cycle mode (pulsed) leads to a more refined structure formation. The pulsed
electrodeposition with a lower duty cycle (<20%) produces uniform and compact deposits.
The optimal condition is (Pulsed electrodeposition, 15% duty cycle, 2 min electrodeposition
effective time, Ton/Toff = 3/17 sec.
The morphology of the specimen after carbon electrodeposition consisted of
agglomerated nano and microparticles forming a uniform Sn layer with C. The layer is
composed of ~ 10 % C, ~ 38 % Sn, ~ 45% Ni. Some Oxygen traces were detected ~ 7 %. The
XRD analysis of this layer confirmed the presence of Ni, Sn, and C. The presence of low
intensity of carbon peaks indicates the formation of amorphous carbon.
From potentiodynamic tests, two C/Sn/Ni specimens registered a shift to a lower βa
and higher βc, namely: Pulse, 15% duty cycle, Ton/Toff: 3/17 sec with deposition time 2 min
as well as 3 min. A high β cathodic slope indicates that the reduction reaction is more
favorable, which means that the material is more likely to accept electrons and store lithium
ions.
From the CV profile for the structure C/Sn/Ni in the cathodic scan, there is no peak at
about 1.5 V confirming that Sn is well passivated by the amorphous carbon. From The peak
current vs. the scan rate relationship, the peak current for C/Sn/Ni is higher than the peak
current for Sn/Ni at all scan rates. This suggests that C/Sn/Ni is a more active electrode than
Sn/Ni. The difference in peak current between C/Sn/Ni and Sn/Ni is more pronounced at
higher scan rates. The linear relationship between the peak current and the square root of the
scan rate suggests that the charge transfer process is controlled by diffusion. The higher
diffusion coefficient in the C/Sn/Ni electrode leads to a faster rate of charge transfer.
From the EIS test, Sn/Ni Pulsed electrodeposition, 15% duty cycle, 2 min
electrodeposition effective time, Ton/Toff = 3/17 sec), represent the lowest Rp (168 Ω),
through all specimens. After electrodeposition of carbon, the obtained C/Sn/Ni composite
with a lower Rp (94 Ω), βa = 0.105, and βc = 0.202 V/decade manifests the highest apparent
and intrinsic catalytic activities. تعتبر الأقطاب المسامية النانوية طريقة جديدة لحل التغير في حجم المواد المستخدمة كأنود لبطارية الليثيوم أثناء اعادة شحنها.
في هذا العمل، تم استخدام عملية من خطوتين لترسيب الكربون والقصدير. الخطوة الأولى هي الترسيب الكهربي للقصدير باستخدام طريقتين للترسيب الكهربي (الترسيب الكهربي المباشر والنبضي) مع معاملات مختلفة حيث كانت دورات العمل المطبقة 50% و 15% مع وقت التشغيل/الإيقاف 3 ثوانٍ /17 ثانية؛ 2 ثانية /11.333 ث؛ 1 ثانية / 5.667 ثانية و 0.1 ثانية / 0.567 ثانية، كان الوقت الفعلي للترسيب 2 و 3 دقائق. أما في حالة الترسيب الكهربائي المباشر للقصدير، كان الوقت الفعال 1 و 2 و 3 دقائق. الخطوة الثانية من عملية الترسيب الكهربي هي ترسيب طبقة الكربون باستخدام تقنية الترسيب الكهربي المباشر عن طريق التحليل الكهربي للإيثانول عند جهد عالي 100 فولت لمدة ثلاث ساعات.
تم تقييم البنية والتشكل السطحي للطبقات المترسبة باستخدام تحليل حيود الاشعة السينية XRD والتصوير باستخدام الميكروسكوب الالكتروني FESEM . تم تقييم الخواص الكهروكيميائية عن طريق الجهدية الحلقيةCV و الاستقطاب الخطيLinear Polarization وقياس المقاومة ُEIS باستخدام محلول ليثيوم هكسا فلوروفوسفيت.
في حالة تقنية الترسيب الكهربائي المباشر ، تصبح طبقة القصدير أكثر سمكا ، ويمكن رؤية التشعبات الشجرية والشقوق الممدودة بشكل كبير ، مع زيادة وقت الترسيب الكهربائي. يؤدي تقليل دورة التشغيل من 100٪ (الترسيب الكهربائي المباشر) إلى وضع دورة التشغيل المنخفضة (النبضي) إلى تكوين هيكل أكثر دقة. ينتج الترسيب الكهربائي النبضي مع دورة تشغيل أقل (<20٪) طبقات متجانسة ومدمجة. الحالة المثلى هي (الترسيب الكهربائي النبضي ، 15٪) مع وقت فعلي للترسيب 2 دقيقة ومع وقت التشغيل/الإيقاف 3 ثوانٍ /17 ثانية.
تتكون البنية المجهرية للعينات بعد الترسيب الكهربائي للكربون من جسيمات نانوية ومكرويمترية متكتلة ومكونة طبقة انسيابية وموحدة من القصدير مع الكربون. تتكون الطبقة من ~ 10٪ كربون ، ~ 38٪ قصدير ، ~ 45٪ نيكل . تم الكشف عن بعض آثار الأكسجين ~ 7٪. وقد أكد تحليل XRD لهذه الطبقة وجود الكربون والنيكل والقصدير كما يشير وجود كثافة منخفضة من قمم الكربون إلى تكوين الكربون غير المتبلور.
وطبقا لنتائج اختبارات التآكل ، سجلت عينتان C / Sn / Ni تحولا إلى βa أقل و βc أعلى، وهما: العينة المصنعة باستخدام الترسيب النبضي ، دورة تشغيل 15٪ ، تشغيل/ ايقاف: 3/17 ثانية مع وقت ترسيب 2 دقيقة وكذلك 3 دقائق. يشير الميل الكاثودي العالي β إلى أن تفاعل الاختزال أكثر ملاءمة ، مما يعني أن المادة من المرجح أن تقبل الإلكترونات وتخزن أيونات الليثيوم.
أشارت نتائج الجهدية الحلقية ( CV) للعينة C / Sn / Ni في المسح الكاثودي ، أنه لا توجد ذروة عند حوالي 1.5 فولت وبالتالي فأن القصدير يتم تخميله جيدا بواسطة الكربون غير المتبلور. من العلاقة بين القيمة العظمى للتيار مقابل معدل المسح ، يكون تيار الذروة ل C / Sn / Ni أعلى من تيار الذروة ل Sn / Ni في جميع معدلات المسح. هذا يشير إلى أن C / Sn / Ni هو قطب أكثر نشاطا من Sn / Ni. يكون الفرق في تيار الذروة بين C / Sn / Ni و Sn / Ni أكثر وضوحا عند معدلات المسح الأعلى. تشير العلاقة الخطية بين القيمة العظمى التيار والجذر التربيعي لمعدل المسح إلى أن عملية نقل الشحنة يتم التحكم فيها عن طريق الانتشار. يؤدي معامل الانتشار العالي في قطب C / Sn / Ni إلى معدل أسرع لنقل الشحنة.
من اختبار EIS ، تمثل العينة ذات الترسيب الكهربائي النبضي Sn / Ni ،مع دورة التشغيل بنسبة 15٪ ، تشغيل/ ايقاف: 3/17 ثانية مع وقت ترسيب فعلي 2 دقيقة ، أدنى مقاومة Rp (168 Ω) بين جميع العينات. بينما بعد الترسيب الكهربائي للكربون لنفس العينة تظهر C / Sn / Ni الذي تم الحصول عليه مع Rp أقل (94 Ω) ، βa = 0.105 ، و βc = 0.202 V / decade محققة أعلى الأنشطة التحفيزية الواضحة والجوهرية اللازمة لأقطاب بطاريات الليثيوم.
Text in English and abstract in Arabic & English.
Electrical Engineering
Sn porous volumetric expansion Ni Foam electrodeposition
621.3