Cristin-resultat-ID: 2103783
Sist endret: 10. januar 2023, 10:24
Resultat
Mastergradsoppgave
2022

Syntese og karakterisering av BiFeO3 som anodemateriale i Na-ionebatterier

Bidragsytere:
  • Casper Skautvedt

Utgiver/serie

Utgiver

Universitetet i Oslo
NVI-nivå 0

Om resultatet

Mastergradsoppgave
Publiseringsår: 2022
Antall sider: 115

Klassifisering

Fagfelt (NPI)

Fagfelt: Kjemi og materialteknologi
- Fagområde: Realfag og teknologi

Beskrivelse Beskrivelse

Tittel

Syntese og karakterisering av BiFeO3 som anodemateriale i Na-ionebatterier

Sammendrag

Na-ionebatterier (NIB-er) er foreløpig en umoden teknologi, men har de siste åra blitt forska på i økende grad. Et stort forskningsfelt innafor NIB-er er på anoden, da det ikke finnes noen som fungerer optimalt. I dette arbeidet har vi sett på BiFeO3 som anodemateriale i NIB-er. Bi-baserte anoder har tidligere blitt undersøkt i forskningsgruppa og de har vist lovende resultater. Valget av BiFeO3 var basert på den interessante mekanismen som skjer under opp- og utladning når den brukes som anode. Mekanismen er en omsettingslegeringsreaksjon og kombinerer omsettings- og legeringsreaksjoner når BiFeO3 natrieres. Vi har undersøkt denne mekanismen i detalj med kombinert røntgendiffraksjon (XRD) og galvanostatisk sykling (GS) med operando-XRD på RECX-labben ved Kjemisk institutt. Som en del av arbeidet blei BiFeO3 syntetisert ved keramisk faststoffsyntese og våtkjemisk sol-gelsyntese. Det har tidligere blitt framstilt med disse syntesene, men har vist seg å være vanskelig å få fasereint. Produkta av syntesene har blitt karakterisert med XRD og forfina med Rietveldmetoden. Den keramiske faststoffsyntesen ga lite utbytte av BiFeO3 og flere ureinheter, men sol-gelsyntesen ga derimot et høyt utbytte av BiFeO3 og få ureinheter. Det blei undersøkt ulike behandlinger av BiFeO3, blant annet kulemølling, syrevasking og doping, for å gi økt ytelse som batterimateriale. Disse testene viste at kulemølling av materialet ga best resultater, det var likevel ikke mulig å finne en optimalisering som unngikk et stort fall i kapasiteten de første 30 syklusene. For å karakterisere BiFeO3 som anodemateriale testa vi det i halvseller mot Na-metall. Disse halvsellene blei elektrokjemisk analysert med GS og syklisk voltammetri (SV). Vi testa også ulike blandinger av elektrodesammensetning og elektrolytter for å optimalisere batteriegenskapene. Disse viste at NaPF6 var det beste saltet og propylenkarbonat (PC) + 5 vt% fluoretylenkarbonat (FEC) ga de mest stabile batterisellene. Dataene fra den elektrokjemiske karakteriseringa og operando-XRD bruktes sammen for å tolke reaksjonsmekanismene til BiFeO3. Vi så ut fra disse at det var likheter i legeringsreaksjonen mellom Na og Bi med andre Bi-baserte anoder, med NaBi og Na3Bi som ulike ledd i reaksjonen. Det var dog ingen indikasjoner på fasen/-e til Fe etter omsettingsreaksjonen.

Tittel

Synthesis and characterisation of BiFeO3 as an anode material for Na-ion batteries

Sammendrag

Na-ion batteries (NIBs) are currently an immature technology but have gained interest in research in the last years. A big field within NIBs is on the anode since there is none good enough yet. In this work, we have looked at BiFeO3 as an anode material for NIBs. Bi-based anodes have been investigated in the group before this work and have shown promising results. The choice of BiFeO3 was based on the interesting mechanism that occurs during charging and discharging when used as an anode. The mechanism is a conversion-alloying reaction and combines conversion and alloying reactions when BiFeO3 is sodiated. We have investigated this mechanism in detail with combined X-ray diffraction (XRD) and galvanostatic cycling (GS) with operando-XRD in the RECX-lab at the Department of Chemistry. BiFeO3 was synthesised by ceramic solid-state synthesis and sol-gel synthesis as part of the work. It has previously been synthesised with these syntheses but has proven to be difficult to be phase pure. The product of the syntheses has been characterised with XRD and refined with the Rietveld method. The ceramic solid-state synthesis gave a low yield of BiFeO3 and several impurities, but the sol-gel synthesis gave a high yield of BiFeO3 and few impurities. Various treatments of BiFeO3 were investigated, including ball milling, leaching and doping, to provide increased performance as a battery material. These tests showed that ball milling of the material gave the best results, but it was still not possible to find an optimisation that avoided a large drop in capacity during the first 30 cycles. To characterise BiFeO3 as an anode material, we test it in half-cells against Na metal. These half-cells were electrochemically analysed by GS and cyclic voltammetry (SV). We also tested different mixtures of electrode composition and electrolytes to optimise battery properties. These showed that NaPF6 was the best salt and propylene carbonate (PC) + 5 wt% fluoroethylene carbonate (FEC) gave the most stable battery cells. The data from the electrochemical characterisation and operando-XRD were used together to interpret the reaction mechanisms of BiFeO3. We saw from these that there were similarities in the alloying reaction between Na and Bi with other Bi-based anodes, with NaBi and Na3Bi as different stages in the reaction. However, there were no indications of the phase(s) of Fe after the reaction.

Bidragsytere

Casper Skautvedt

  • Tilknyttet:
    Forfatter
    ved Senter for Materialvitenskap og Nanoteknologi kjemi ved Universitetet i Oslo

Helmer Fjellvåg

  • Tilknyttet:
    Veileder
    ved Uorganisk materialkjemi ved Universitetet i Oslo

Alexey Koposov

  • Tilknyttet:
    Veileder
    ved Uorganisk materialkjemi ved Universitetet i Oslo

Anders Brennhagen

  • Tilknyttet:
    Veileder
    ved Senter for Materialvitenskap og Nanoteknologi kjemi ved Universitetet i Oslo
Inaktiv cristin-person

Carmen Cavallo

  • Tilknyttet:
    Veileder
1 - 5 av 6 | Neste | Siste »