Benavides Castillo, Lisbeth A. (2013) Nanotubos de carbono aplicados al electrodo negativo de una batería de Ni/MH. / Carbon nanotubes applied to the negative electrode of a Ni/MH battery. Maestría en Ingeniería, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro.
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Resumen en español
El objetivo del presente trabajo es el estudio de la utilización de los nanotubos de carbono (CNT) como agregados en electrodos negativos de baterías de níquel/hidruro metálico (Ni/MH). Este trabajo se realizó en el marco de la tesis de la carrera de maestría en ingeniería del Instituto Balseiro dependiente de la Universidad Nacional de Cuyo y financiado por la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA), en las instalaciones del grupo Física de Metales del Centro Atómico Bariloche (CAB). Se utilizaron nanotubos de carbono producidos por el método de deposición química de vapor (CVD) comprados a la empresa estadounidense Cheaptubes, los cuales se han caracterizado, purificado e incorporado al ánodo de una batería de Ni/MH. Se caracterizaron seis tipos de nanotubos de carbono con el fin de elegir el más adecuado para la adición al electrodo negativo de una batería de Ni/MH. Los nanotubos de pared múltiple con un diámetro de 30-50 nm fueron los elegidos después de estudios de HRTEM, EDS, AA, XRD, SEM, IR y AG. Éstos fueron purificados mediante digestión asistida por reflujo empleando tres soluciones diferentes, luego fueron analizados nuevamente para escoger el que presentó mejores resultados después del tratamiento de purificación. Posteriormente los CNT elegidos antes y después de ser purificados se incorporaron al electrodo de trabajo mediante dos métodos: mezcla manual y molienda mecánica. Esta última se llevó a cabo con los nanotubos que presentaron mejores características después de su purificación, realizando moliendas a seis tiempos diferentes en un molino de alta energía. Las características electroquímicas fueron evaluadas mediante ciclos de carga/descarga y rate capability. La conformación de los electrodos fue caracterizada por SEM. Se prepararon dos aleaciones tipo AB_5 por fundición en horno de inducción. Se purificaron CNT comerciales y se prepararon electrodos negativos con las aleaciones solas y agregados de CNT. Se obtuvo una mejora del 19% en la capacidad del electrodo preparado con nanotubos purificados con ácido sulfúrico en comparación con los nanotubos sin purificar, pero ésta disminuyó en comparación con la de la aleación. Se observó que el método de molienda mecánica implementado bajo las condiciones experimentales seleccionadas no es el adecuado para mejorar el desempeño electroquímico de los electrodos puesto que la introducción de defectos y la disminución del tamaño de cristalita de la aleación disminuyeron su capacidad, lo que podría haberse mejorado mediante el recocido de las muestras que ayuda a la eliminación de defectos y al crecimiento de tamaño de grano. En el capítulo 1 se hace una introducción sobre los nanotubos de carbono, los tipos, las propiedades y aplicaciones, entre otros. Así como también una descripción de las baterías, enfocándose en las tipo Ni/MH. En el capítulo 2 se describen las diferentes técnicas de caracterización tanto química como estructural y los procedimientos realizados en este trabajo. En el capítulo 3 se describen los procesos de purificación y la caracterización realizada antes y después de someter los nanotubos a estos tratamientos. Con los datos obtenidos se pudo estudiar la morfología de los nanotubos, si están o no agrupados en haces, su tamaño, pureza y otras características generales de las muestras, permitiendo seleccionar un tipo de nanotubos y aplicarlos al electrodo de trabajo. En el capítulo 4 se realiza un análisis de la influencia del agregado de los nanotubos seleccionados al electrodo negativo de una batería de Ni/MH, realizando una comparación con un electrodo conformado por una aleación tipo AB_5 sola. Por último, en el capítulo 5 se presentan las conclusiones generales del trabajo y perspectivas a futuro.
Resumen en inglés
The aim of this work is the study of carbon nanotubes (CNT) aggregated to the negative electrodes of a Nickel/Metal Hydride battery (Ni/MH). This work was made as part of the thesis project of master in engineering of Instituto Balseiro-Universidad Nacional de Cuyo at the Centro Atómico Bariloche (CAB). It was supported by the Comisión National de Energía Atómica (CNEA). The multiple layer carbon nanotubes used in this work were produced by the Cheaptubes American Company by means of the chemical vapor deposition (CVD) technique. These CNTs have been characterized, purified and added to the anode of a Ni/MH battery. We characterized six types of CNT by HRTEM, EDS, AA, XRD, SEM and IR in order to choose the most suitable for the addition to the negative electrode of a Ni/MH battery. Multi-walled nanotubes with 30-50 nm diameter were chosen after characterization. Due to the presence of impurities it was decided to purify the CNT by reflux assisted digestion method using three different solutions and re-analyze them with cited techniques plus AG. The effect of CNT incorporated into the working electrode was studied by two methods, i.e. by manual grinding considering the influence before and after being purified, and by mechanical milling, where the nanotubes with the best characteristics after purification were analyzed at six different milling times using a high-energy ball mill. The electrochemical performance was evaluated by charge/discharge cycling and rate capability, and the electrodes conformation was characterized by SEM. We prepared two AB5-type alloys in an induction furnace. We have purified commercial nanotubes and have prepared negative electrodes with the as-cast alloys and CNT-added. The improvement in the discharge capacity of the electrode prepared with CNT purified with sulfuric acid over the prepared with unpurified nanotubes was 19%, but both decreased in comparison with the as-cast alloys. We observed that mechanical grinding method under used conditions was not feasible to improve the electrochemical performance of the electrodes, because the introduction of defects and reduction in the crystallite size of the alloy. We think that an annealing treatment of the sample could improve the electrochemical performance by means of defects deleting and grain size growing [1]. The Chapter 1 is an introduction to carbon nanotubes, types, properties, applications, among others; and a description of the batteries, focusing on Ni/MH battery. The Chapter 2 describes the different techniques for chemical and structural characterization and the procedures that were performed in this work. The Chapter 3 describes purification and characterization made before and after the nanotubes purification. The morphology of the nanotubes, like if they were grouped together or not, size and purity, allow us to select the best to be added to the working electrode. The Chapter 4 describes an electrochemical analysis of the negative electrode with added nanotubes. Finally, Chapter 5 presents the general conclusions and future perspectives.
| Tipo de objeto: | Tesis (Maestría en Ingeniería) |
|---|---|
| Palabras Clave: | Carbon nanotubes; Nanotubos de carbono; Negative electrode; Electrodo negativo; Metal hidride; Hidruro metálico; Discharge capacity; Capacidad de descarga; Rate capability; Tasa de descarga |
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| Materias: | Física > Nanotecnología Física > Física de materiales |
| Divisiones: | Investigación y aplicaciones no nucleares > Física > Física de metales |
| Código ID: | 415 |
| Depositado Por: | Marisa G. Velazco Aldao |
| Depositado En: | 19 Dic 2013 09:17 |
| Última Modificación: | 19 Dic 2013 09:17 |
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