Co3O4 nanostructures with a high rate performance as anode materials for lithium-ion batteries, prepared via book-like cobalt-organic frameworks

The self-assembly of cobalt coordination frameworks (Co-CPs) with a two-dimensional morphology is demonstrated by a solvothermal method. The morphology of the Co-CPs has been controlled by various solvothermal conditions. The two-dimensional nanostructures agglomerated by Co3O4 nanoparticles remained after the pyrolysis of the Co-CPs. The as-synthesized Co3O4 anode material is characterized by cyclic voltammetry (CV), electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and galvanostatic charge-discharge measurements. The morphology of Co3O4 plays a crucial role in the high performance anode materials for lithium batteries. The Co3O4 nanoparticles with opened-book morphology deliver a high capacity of 597 mA h g-1 after 50 cycles at a current rate of 800 mA g-1. The opened-book morphology of Co3O4 provides efficient lithium ion diffusion tunnels and increases the electrolyte/Co3O4 contact/interfacial area. At a relatively high current rate of 1200 mA g-1, Co3O4 with opened-book morphology delivers an excellent rate capability of 574 mA h g-1.

Epitaxial growth of visible to infra-red transparent conducting In2O3 nanodot dispersions and reversible charge storage as a Li-ion battery anode

Unique bimodal distributions of single crystal epitaxially grown In2O3 nanodots on silicon are shown to have excellent IR transparency greater than 87% at IR wavelengths up to 4 μm without sacrificing transparency in the visible region. These broadband antireflective nanodot dispersions are grown using a two-step metal deposition and oxidation by molecular beam epitaxy, and backscattered diffraction confirms a dominant (111) surface orientation. We detail the growth of a bimodal size distribution that facilitates good surface coverage (80%) while allowing a significant reduction in In2O3 refractive index. This unique dispersion offers excellent surface coverage and three-dimensional volumetric expansion compared to a thin film, and a step reduction in refractive index compared to bulk active materials or randomly porous composites, to more closely match the refractive index of an electrolyte, improving transparency. The (111) surface orientation of the nanodots, when fully ripened, allows minimum lattice mismatch strain between the In2O3 and the Si surface. This helps to circumvent potential interfacial weakening caused by volume contraction due to electrochemical reduction to lithium, or expansion during lithiation. Cycling under potentiodynamic conditions shows that the transparent anode of nanodots reversibly alloys lithium with good Coulombic efficiency, buffered by co-insertion into the silicon substrate. These properties could potentially lead to further development of similarly controlled dispersions of a range of other active materials to give transparent battery electrodes or materials capable of non-destructive in situ spectroscopic characterization during charging and discharging.

Fabrication and evaluation of NiO/Y2O3-stabilized-ZrO2 hollow fibers for anode-supported micro-tubular solid oxide fuel cells

In this work NiO/3mol% Y₂O₃-ZrO₂ (3YSZ) and NiO/8mol% Y₂O₃-ZrO₂ (8YSZ) hollow fibers were prepared by phase-inversion. The effect of different kinds of YSZ (3YSZ and 8YSZ) on the porosity, electrical conductivity, shrinkage and flexural strength of the hollow fibers were systematically evaluated. When compared with Ni-8YSZ the porosity and shrinkage of Ni-3YSZ hollow fibers increases while the electrical conductivity decreases, while at the same time also exhibiting enhanced flexural strength. Single cells with Ni-3YSZ and Ni-8YSZ hollow fibers as the supported anode were successfully fabricated showing maximum power densities of 0.53 and 0.67Wcm^-2 at 800°C, respectively. Furthermore, in order to improve the cell performance, a Ni-8YSZ anode functional layer was added between the electrolyte and Ni-YSZ hollow fiber. Here enhanced peak power densities of 0.79 and 0.73Wcm^-2 were achieved at 800°C for single cells with Ni-3YSZ and Ni-8YSZ hollow fibers, respectively.

Multivariate statistical modeling of an anode backing furnace - Modélisation statistique multivariée du four à cuisson des anodes utilisées dans la fabrication d'aluminium primaire

La stratégie actuelle de contrôle de la qualité de l’anode est inadéquate pour détecter les anodes défectueuses avant qu’elles ne soient installées dans les cuves d’électrolyse. Des travaux antérieurs ont porté sur la modélisation du procédé de fabrication des anodes afin de prédire leurs propriétés directement après la cuisson en utilisant des méthodes statistiques multivariées. La stratégie de carottage des anodes utilisée à l’usine partenaire fait en sorte que ce modèle ne peut être utilisé que pour prédire les propriétés des anodes cuites aux positions les plus chaudes et les plus froides du four à cuire. Le travail actuel propose une stratégie pour considérer l’histoire thermique des anodes cuites à n’importe quelle position et permettre de prédire leurs propriétés. Il est montré qu’en combinant des variables binaires pour définir l’alvéole et la position de cuisson avec les données routinières mesurées sur le four à cuire, les profils de température des anodes cuites à différentes positions peuvent être prédits. Également, ces données ont été incluses dans le modèle pour la prédiction des propriétés des anodes. Les résultats de prédiction ont été validés en effectuant du carottage supplémentaire et les performances du modèle sont concluantes pour la densité apparente et réelle, la force de compression, la réactivité à l’air et le Lc et ce peu importe la position de cuisson.

A bio-coke for anode production and the manufacturing method thereof

Dans l’industrie de l’aluminium, le coke de pétrole calciné est considéré comme étant le composant principal de l’anode. Une diminution dans la qualité du coke de pétrole a été observée suite à une augmentation de sa concentration en impuretés. Cela est très important pour les alumineries car ces impuretés, en plus d’avoir un effet réducteur sur la performance des anodes, contaminent le métal produit. Le coke de pétrole est aussi une source de carbone fossile et, durant sa consommation, lors du processus d’électrolyse, il y a production de CO2. Ce dernier est considéré comme un gaz à effet de serre et il est bien connu pour son rôle dans le réchauffement planétaire et aussi dans les changements climatiques. Le charbon de bois est disponible et est produit mondialement en grande quantité. Il pourrait être une alternative attrayante pour le coke de pétrole dans la fabrication des anodes de carbone utilisées dans les cuves d’électrolyse pour la production de l’aluminium. Toutefois, puisqu’il ne répond pas aux critères de fabrication des anodes, son utilisation représente donc un grand défi. En effet, ses principaux désavantages connus sont sa grande porosité, sa structure désordonnée et son haut taux de minéraux. De plus, sa densité et sa conductivité électrique ont été rapportées comme étant inférieures à celles du coke de pétrole. L’objectif de ce travail est d’explorer l’effet du traitement de chaleur sur les propriétés du charbon de bois et cela, dans le but de trouver celles qui s’approchent le plus des spécifications requises pour la production des anodes. L’évolution de la structure du charbon de bois calciné à haute température a été suivie à l’aide de différentes techniques. La réduction de son contenu en minéraux a été obtenue suite à des traitements avec de l’acide chlorhydrique utilisé à différentes concentrations. Finalement, différentes combinaisons de ces deux traitements, calcination et lixiviation, ont été essayées dans le but de trouver les meilleures conditions de traitement.

Study of the Electrochemical, Physical and Morphological Characteristics of Anode Catalysts for Perfluorosulfonic Acid (PFSA) Membrane Water Electrolysers

A number of supported and un-supported Oxygen Evolution Reaction (OER) iridium based electrocatalysts for Polymer Electrolyte Membrane Water Electrolysis (PEMWE) were synthesized using a polyol method. The electrocatalysts and the supports were characterized using a wide range of physical and electrochemical characterization methods. The effect of morphological characteristics of the OER electrocatalyst and the support on the OER activity was studied. The results of this thesis contribute to the existing research to reduce the cost of PEMWE by enhancing the utilization of precious metal for OER electrocatalysis. Iridium electrocatalysts supported on antimony tin oxide (Ir/ATO) were synthesized using the polyol method with two different heating techniques: conventional and microwave-irradiation. It was shown that the physical morphology and electrochemical properties of Ir/ATO synthesized with the two heating methods were comparable. However, the microwave irradiation method was extremely faster than the conventional heating method. Additionally, the effect of heat treatment (calcination temperature) on the morphology and OER activity of Ir/ATO synthesized electrocatalyst with the conventional polyol method. It was found that the iridium electrocatalyst synthesized with the polyol method, consisted of 1-5 nm particles, possessed an amorphous structure, and contained iridium with an average oxidation state of less than +4. Calcining the catalyst at temperatures more than 400 ºC and less than 700ºC: 1) increased the size of the iridium particles to 30 nm, 2) changed the structure of iridium particles from amorphous to crystalline, 3) increased the iridium oxidation state to +4 (IrO2), 4) reduced the electrochemically active surface area by approximately 50%, and 5) reduced the OER activity by approximately 25%; however, it had no significant effect on the physical and chemical morphology of the ATO support. Moreover, potential support metal carbides and oxides including: Tantalum Carbide (TaC), Niobium Oxide (Nb2O5), Niobium Carbide (NbC), Titanium Carbide (TiC), Tungsten Carbide (WC) and Antimony-doped Tin Oxide (ATO, Sb2O5-SnO2), were characterized, and used as support for the iridium OER electrocatalysts. TaC was found to be a promising support, and increasing its surface area by 4% improved the OER performance of the final supported catalyst by approximately 50%.