Chulalongkorn University Theses and Dissertations (Chula ETD)
Other Title (Parallel Title in Other Language of ETD)
คาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลสเป็นชั้นผิวประดิษฐ์เชื่อมต่อวัฏภาคของแข็ง-อิเล็กโทรไลต์ และแผ่นกั้น สำหรับแบตเตอรี่ฐานสังกะสี
Year (A.D.)
2023
Document Type
Thesis
First Advisor
Soorathep Kheawhom
Second Advisor
Jitti Kasemchainan
Faculty/College
Faculty of Engineering (คณะวิศวกรรมศาสตร์)
Department (if any)
Department of Chemical Engineering (ภาควิชาวิศวกรรมเคมี)
Degree Name
Doctor of Engineering
Degree Level
Doctoral Degree
Degree Discipline
Chemical Engineering
DOI
10.58837/CHULA.THE.2023.75
Abstract
As the quest for robust large-scale energy storage systems (EESs) intensifies, aqueous rechargeable zinc-based batteries are gaining traction for grid-scale applications due to their high theoretical capacity and safety. Despite this, their practical application is compromised by several zinc anode issues, including hydrogen evolution, corrosion, dendritic growth, and passivation. An artificial solid electrolyte interphase (ASEI) using polyelectrolytes, such as carboxymethyl cellulose (CMC), is emerging as a solution, offering economic and environmental advantages. CMC's structure, enriched with carboxyl groups, allows for the refined management of zinc ion distribution at the electrode surface, promising enhanced surface stability. This study delves into CMC's role as ASEI in zinc-iodine batteries (ZIBs), examining its effect on both the zinc anode, fabricated from a zinc sheet, and a composite anode with integrated CMC in systems with a composite carbon-iodine cathode. A novel CMC and polyvinyl alcohol (PVA) polyelectrolyte membrane, trialed in an electrochemical H-cell configuration, and CMC-coated carbon felt (CF) in a Zn-iodine flow battery, are also presented, highlighting their potential in enhancing battery operation. Our results show that a uniform CMC-ASEI layer mitigates side reactions and improves zinc ion distribution, with a Zn-CMC//I2 cell maintaining over 98% capacity after 2000 cycles at 5 mA/cm². The CMC/PVA membrane successfully prevents iodine and polyiodide migration, evidenced by over 300 stable cycles at 10 mA/cm² in an H-cell setup. Moreover, CMC-coated CF in a flow battery enhances zinc deposition, yielding more than 90% efficiency after 100 cycles at 80 mA/cm² and a capacity of 120 mAh/cm². These findings affirm CMC's vital role in advancing zinc-based battery technology, marking it as a key player for the next generation of EESs.
Other Abstract (Other language abstract of ETD)
การแสวงหาระบบกักเก็บพลังงานที่มีขนาดใหญ่และทนทานต่อการใช้งานกำลังได้รับความสนใจมากขึ้น ขณะเดียวกันแบตเตอรี่ฐานสังกะสีแบบชาร์จไฟในอิเล็กโทรไลต์แบบฐานน้ำก็ได้รับการผลักดันเพื่อใช้สำหรับการทำงานในการกักเก็บระดับโครงข่ายไฟฟ้าเนื่องด้วยมีค่าความจุทางทฤษฎีที่มากและมีความปลอดภัยสูง อย่างไรก็ตาม แบตเตอรี่ชนิดนี้เผชิญกับปัญหาบางอย่างบนขั้วแอโนดสังกะสี ซึ่งเป็นอุปสรรคต่อการประยุกต์ใช้งานจริง ปัญหาเหล่านั้นประกอบด้วย การเกิดก๊าซไฮโดรเจน การกร่อนตัว และก่อตัวของโครงสร้างเดนไดรต์ และเกิดชั้นเคลือบผิวที่ลดการเกิดปฏิกิริยาบนผิวขั้ว ดังนั้นการสร้างชั้นผิวประดิษฐ์เชื่อมต่อวัฏภาคของแข็ง-อิเล็กโทรไลต์ด้วยสารพอลิอิเล็กโทรไลต์ เช่น สารคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลส จึงเป็นทางออกของปัญหาดังที่กล่าวมาข้างต้น ด้วยข้อได้เปรียบในเรื่องของ เศรษฐกิจและสิ่งแวดล้อม สารคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลสประกอบด้วยหมู่คาร์บอกซิล โดยหมู่ฟังชั้นกลุ่มนี้สามารถส่งเสริมการกระจายตัวของไอออนสังกะสีบนพื้นผิวของอิเล็กโทรดได้อย่างสม่ำเสมอกัน เพิ่มความเสถียรให้กับพื้นผิวขั้วได้มากขึ้น การศึกษานี้จึงมุ่งเน้นดูบทบาทของสารคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลส ในฐานะชั้นผิวประดิษฐ์เชื่อมต่อวัฏภาคของแข็ง-อิเล็กโทรไลต์ในแบตเตอรี่สังกะสี-ไอโอดีน ในการตรวจสอบผลกระทบของชั้นผิวประดิษฐ์ดังกล่าว จะได้รับการศึกษาบนทั้งขั้วแผ่นโลหะสังกะสีเปล่า และแผ่นขั้วสารประกอบผสมโลหะสังกะสี และประยุกต์เข้ากับระบบแบตเตอรี่ที่ใช้ขั้วแคโทดที่มเป็นสารประกอบคาร์บอนผสมไอโอดีน นอกจากนี้ยังมีการนำเสนอแผ่นพอลิอิเล็กโทรไลต์ ที่ประกอบด้วยสารคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลสและพอลิไวนิลแอลกอฮอล์ แผ่นกั้นนี้จะได้รับการสาธิตในเซลล์ไฟฟ้าเคมีแบบรูปตัวแอช และนอกจากนี้ สารคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลสยังถูกเคลือบบนแผ่นคาร์บอนสักหลาดเพื่อใช้เป็นขั้วแบตเตอรี่ ในระบบแบตเตอรี่สังกะสี-ไอโอดีนแบบอิเล็กโทรไลต์ไหล ซึ่งได้รับการนำเสนอถึงศักยภาพใรการเพิ่มประสิทธิภาพในการทำงานให้กับแบตเตอรี่ได้ จากผลการศึกษาชี้ให้เห็นว่า ขั้นผิวประดิษฐ์สารคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลสที่เกิดอย่างสม่ำเสมอ ช่วยลดผลกระทบของปฏิกิริยาข้างเคียงและเสริมการกระจายประจุสังกะสีได้ดี ส่งผลให้เซลล์แบตเตอรี่สังกะสี-ไอโอดีนที่ใช้ขั้วแผ่นสังกะสีที่มีชั้นผิวประดิษฐ์ฯ แสดงความสามารถในการคายประจุที่มากกว่า 98 เปอร์เซ็นต์ สามารถอัด/คายประจุได้ถึง 2,000 รอบ ที่ความหนาแน่นของกระแส 5 มิลลิแอมป์ต่อตารางเซนติเมตร นอกจากนี้ แผ่นกั้นที่ได้รับการพัฒนาจากสารคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลสและพอลิไวนิลแอลกอฮอล์ สามารถป้องกันการข้ามผ่านของโมเลกุลอย่าง ไอโอดีนและพอลิไอโอไดด์ได้สำเร็จ ดูได้จากการทำงานบนเซลล์ไฟฟ้าเคมีแบบรูปตัวแอช ที่สามารถทำงานได้ถึง 300 รอบ ความหนาแน่นของกระแส 10 มิลลิแอมป์ต่อตารางเซนติเมตร นอกจากนี้การใช้แผ่นขั้วคาร์บอนสักหลาดที่มีชั้นผิวประดิษฐ์คาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลสเป็นอิเล็กโทรดในแบตเตอรี่แบบอิเล็กโทรไลต์ไหล ยังช่วยเพิ่มการสะสมของสังกะสีบนเส้นใย ทำส่งเสริมให้แบตเตอรี่ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพกว่าถึง 90 เปอร์เซ็นต์หลังผ่านการทำงาน 100 รอบ ที่ความหนาแน่นของกระแส 80 มิลิแอมป์ต่อตารางเซนติเมตร ที่ความจุ 120 มิลลิแอมป์ชั่วโมง (25 มิลลิแอมป์ชั่วโมงต่อตารางเซนติเมตร ) การค้นพบนี้เองได้ยืนยันถึงบทบาทที่สำคัญของสารคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลส ในการพัฒนาเทคโนโลยีของแบตเตอรี่ฐานสังกะสี นับว่าเป็นสารที่น่าสนใจสำหรับระบบกักเก็บพลังงานต่อไป
Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-No Derivative Works 4.0 International License.
Recommended Citation
Tangthuam, Phonnapha, "Carboxymethyl cellulose as artificial solid/electrolyte interphases and separator for Zn-based battery" (2023). Chulalongkorn University Theses and Dissertations (Chula ETD). 10212.
https://digital.car.chula.ac.th/chulaetd/10212