Mostafa Mahmoud Omran Mohamed, <br/><br/>
Advanced materials for energy storage applications – effects of type of binder and amount of loading of electrodes materials / 
 مواد متقدمة لتطبيقات تخزين الطاقة – تأثيرات نوع الرابط وكمية مواد التحميل للأقطاب 
by Mostafa Mahmoud Omran Mohamed ; Supervisors Prof. Dr. Ahmed Galal Helmy, Dr. Delvin Desoky Aman.  
 - 115 pages :   illustrations ;   25 cm. +   CD. 
<br/><br/>Thesis (M.Sc)-Cairo University, 2025. 
<br/><br/>Bibliography: pages 54-61. 
<br/><br/> The essential need for efficient electrical energy storage systems to compensate for intermittent renewable energy became a global interest. Supercapacitors are considered one of the future energy storage technologies that can secure the energy supply for many applications. This study aimed to provide a deep understanding and highlight the effect of the type of binding materials and the mass loading of the electrode materials on the performance of supercapacitors. We used activated carbon (AC) from coconut shell biomass waste as active electrode material and three different binders to fabricate supercapacitor electrodes. Cornstarch was introduced as a green binder, and its performance was compared with that of synthetic binders like polyvinylidene fluoride (PVDF) and Nafion. <br/>In the first part of this study, the electrochemical characteristics of the supercapacitor electrodes fabricated using different binders were studied using open circuit potential (OCP), cyclic voltammetry (CV), galvanic charge/discharge (GCD), and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) in 1M NaSO4 electrolyte. Also, the effect of binder on the charge storage mechanism was investigated using cyclic voltammograms, and the results were discussed in detail. The cornstarch binder significantly facilitated the charge storage mechanism by suppressing diffusion limitations compared to Nafion and PVDF binders. The fabricated symmetric supercapacitor device of starch-based electrodes exhibited the highest specific capacitance (Cs) of 120 F/g compared to 38 F/g and 71 F/g for Nafion and PVDF, respectively, at the specific current of 1.0 A/g. The cornstarch device exhibited the highest energy density (ED) of 135 Wh/kg and an exact power density (PD) of 750 W/kg. The starch-based supercapacitor device exhibited 104% and 65.5% capacitance retention at specific currents of 2.0 A/g and 10 A/g after 10,000 cycles of charging/discharging, respectively. The drop in the specific capacitance (Cs) of the cornstarch at the high specific current is explained by the swelling effect of the binder.<br/>The second part investigated the effect of mass loading of active materials on the charge storage mechanism of AC electrodes. Electrodes were fabricated using three binders—cornstarch, Nafion, and PVDF—to assess their influence on the effect of mass loading on charge storage behavior. While all binders exhibited similar surface conductivity due to high carbon content, their hydrophobicity varied, with cornstarch being the least hydrophobic. Cyclic voltammetry revealed significant binder type and mass loading effects on Cs values. Cornstarch, being hydrophilic, allowed a mass loading of 2 mg/cm² and predominantly exhibited an EDLC mechanism, contributing 98% of total capacitance at 200 mV/s. Nafion showed optimal performance up to 1 mg/cm², while PVDF excelled at low mass loadings (<0.4 mg/cm²) but had limited performance at higher loadings (>1 mg/cm²) due to restricted ion diffusion.  أصبحت الحاجة الماسة لأنظمة تخزين طاقة كهربائية فعّالة لتعويض انقطاع الطاقة المتجددة محط اهتمام عالمي. وتُعتبر المكثفات الفائقة إحدى تقنيات تخزين الطاقة المستقبلية التي تضمن توفير الطاقة للعديد من التطبيقات. هدفت هذه الدراسة إلى توفير فهم عميق وتسليط للضوء على تأثير نوع مواد الربط وكتلة التحميل لمواد الأقطاب الكهربائية على أداء المكثفات الفائقة. تم استخدام الكربون المنشط (AC) من نفايات الكتلة الحيوية لقشر جوز الهند كمادة فعالة للأقطاب الكهربائية، بالإضافة إلى ثلاثة مواد رابطة مختلفة لتصنيع أقطاب المكثفات الفائقة. تم استخدام نشا الذرة كمادة رابطة خضراء، وتم مقارنة ادائها بأداء مواد ربط صناعية مثل فلوريد البولي فينيلدين (PVDF) والنافيون(Nafion) .<br/>في الجزء الأول من هذه الدراسة تم دراسة الخصائص الكهروكيميائية لأقطاب المكثفات الفائقة المُصنّعة باستخدام مواد ربط مختلفة، وذلك باستخدام جهد الدائرة المفتوحة (OCP)، وقياس الجهد الحلقي (CV)، والشحن والتفريغ الجلفاني (GCD)، و المعاوقة الكهروكيميائية الطيفية (EIS) في المحلول الإلكتروليتي هيدروكسيد الصوديوم (Na2SO4) بتركيز مولار واحد. كما تم دراسة تأثير نوع مادة الربط على آلية تخزين الشحنة باستخدام تقنية قياس الجهد الحلقي. وتم منافشة وعرض النتائج بالتفصيل. رابط نشا الذرة عمِل علي تسهيل آلية تخزين الشحنة بشكل ملحوظ من خلال تثبيط قيود إنتشار الآيونات مقارنةً بمواد الربط الأخرى وهي فلوريد البولي فينيلدين والنافيون. أظهر المكثف الفائق المتماثل المُصنّع من الأقطاب التي تحتوي علي نشا الذرة كمادة ربط أعلى سعة نوعية (Cs) قدرها 120 فاراد/جم مقارنةً بـ 38 فاراد/جم و71 فاراد/جم للنافيون وفلوريد البولي فينيلدين، على التوالي، عند كثافة تيار قدرها 1.0 أمبير/جم. أظهر المكثف الفائق الذي يحتوي علي نشا الذرة أعلى كثافة طاقة بلغت 135 واط/كجم، عند كثافة قدرة بلغت 750 واط/كجم. كما ان جهاز المكثف الفائق القائم على النشا، فقد أظهر احتفاظًا بالسعة بنسبة 104% و65.5% عند تيارين نوعيين شدتهما 2.0 أمبير/جم و10 أمبير/جم بعد 10,000 دورة شحن/تفريغ، على التوالي. ويُفسَّر انخفاض السعة النوعية (Cs) لنشا الذرة عند كثافة التيار العالية بتأثير انتفاخ مادة الربط.<br/>تناول الجزء الثاني تأثير تغيير كمية التحميل الكتلي للمواد الفعالة على آلية تخزين الشحنة في أقطاب الكربون المنشَّط. صُنعت الأقطاب باستخدام ثلاثة مواد رابطة - نشا الذرة، النافيون، وفلوريد البولي فينيلدين - لتقييم تأثيرها على تأثير كمية التحميل الكتلي على سلوك تخزين الشحنة. في حين أظهرت جميع مواد الربط تشابه في درجة التوصيل السطحي للكهرباء بسبب ارتفاع نسبة الكربون في الاقطاب، إلا أن درجة كراهية المادة للماء كانت متفاوتة، وكان نشا الذرة الأقل كراهية للماء. وكشف قياس الجهد الحلقي عن تأثيرات ملحوظة لنوع مادة الربط و تغيير كمية التحميل الكتلي للمواد الفعالة على قيم السعة  <br/>النوعية. وأظهرت النتائج أن نشا الذرة كونه محبًا للماء يسمح بتحميل كتلة قدره 2.0 ملغ/سم²، ويتميّز بشكل رئيسي بآلية السعة الكهربائية ثنائية الطبقات (EDLC)، مساهمًا بنسبة 98% من السعة الكلية عند معدل سرعة قياس جهد حلقي بقيمة 200 ملي فولت/ثانية. أظهر النافيون أداءً مثاليًا حتى 1.0 ملغ/سم²، بينما تفوق فلوريد البولي فينيلدين عند أحمال كتلة منخفضة (<0.4 ملغ/سم²) ولكن كان أداؤه محدودًا عند أحمال أعلى (>1.0 ملغ/سم²) بسبب الإنتشار المحدود للأيونات. 
<br/><br/>
<br/><br/><br/>Text in English and abstract in Arabic & English. 
<br/><br/><label>Subjects--Topical Terms: </label><br/>Physical chemistry<br/>الكيمياء الفيزيائية
<br/><br/><label>Subjects--Index Terms: </label>Activated carbon  Supercapacitor  Binder  Mass loading  Energy storage  Charge storage mechanism  EDLC  Ionic diffusion  Aqueous electrolyte  PVDF  Nafion  Cornstarch  الكربون المنشَّط   المكثف الفائق 
<br/><br/><label>Dewey Class. No.: </label>541