NAERINGSPH-Nærings-phd

Aktivert karbon (AC) er et verdifullt karbonmateriale med justerbar porøsitet og overflateareal som kan brukes i mange applikasjoner, for eksempel elektrodematerialer for energilagringsenheter, vann- og gassrensing, katalysatorer, gassadsorpsjon og lagring, luftfiltre, etc. Den økende etterspørselen etter ren energi og effektive lagringsalternativer har økt interessen og fokuset på aktivert karbon for bruk som superkondensatorer og Litium-ion kondensator (LiC) katoder, spesielt i applikasjoner med høy effekt og rask ladning/utladning. Aktivt karbon har blitt valgt på grunn av dets justerbare overflateareal og porøsitet for lagring av ladninger, enkel tilgjengelighet og produksjon fra forløpere som treavfall, kokosnøttskall, avfallsdekk og praktisk talt alle karbonholdige materialer. For å produsere aktivert karbon kan to aktiveringsmidler benyttes: fysisk og/eller kjemisk aktivering. De nødvendige egenskapene, som høyt overflateareal, tilstrekkelige porevolum og optimaliserte porestørrelsesfordelinger, kan effektivt oppnås ved bruk av kjemisk aktivering, som innebærer varmebehandling av en blanding av karbonforløperen med et passende kjemisk aktiveringsmiddel. Ved å bruke denne teknikken har man oppnådd overflatearealer på ca. 3000 m2/g i små batchreaktorer i laboratorier som produserer i gram. For bruk som elektrodematerialer kreves det imidlertid større kontinuerlig produksjon i kg. I det første aspektet utforsket dette prosjektet bruken av en roterende ovn, en større reaktor som består av et roterende rør med variabel helning, kontinuerlig mater og temperaturkontroller, som kan aktivere karbonforløperen kontinuerlig i førindustriell skala mens den produserer i kg. For å oppnå høykvalitets aktivert karbon og eksklusiv produksjon, ble faktorer som rørets rotasjonshastighet, aktiveringstemperatur og helningsgrad optimalisert ved hjelp av nøye utformede eksperimenter. Aktivt karbon av høy kvalitet ble syntetisert, og prosessdataene som ble oppnådd fungerte som bakgrunn for videre ekspansjon til produksjon i industriell skala. Som et andre mål ble forskjellige produktoptimaliseringsstrategier undersøkt med sikte på å forstå aktivert karbon -elektroden/Li-ion-elektrolytt-interaksjonene for å forbedre ytelsen og sikre den langsiktige stabiliteten til LiC-en som inkorporerer aktivert karbon -elektroden. Elektrolyttnedbrytning er en avgjørende årsak til cellesvikt. Det akselereres ved kontakt med aktivert karbon’s høye overflateareal og oksygenrike aktive lokalisasjoner på overflaten, spesielt ved høye spenninger. Feilmekanismene til aktivert karbon-elektroden i kontakt med Li-ion-elektrolytter ble derfor undersøkt ved bruk av en kombinasjon av elektrokjemiske og materialkarakteriseringsteknikker, som undersøkte aktivert karbon -elektrode/elektrolytt-grensesnittet etter forskjellige varigheter av sykling. Dette muliggjorde en helhetlig tidsavhengig avsløring av naturen til nedbrytningsproduktene på overflaten, når de ble dannet, og de induserte transformasjonene av aktivert karbon-elektroden med hensyn til disse nedbrytningsproduktene. Ustabiliteten til PF6-anion ble identifisert som en betydelig årsak til elektrolyttnedbrytningen, og den tilsvarende kapasitets fade-prosessen ble belyst. I de avsluttende aspektene ble forskjellige metoder undersøkt for å dempe elektrolyttnedbrytningen på aktivert karbon-overflaten og forbedre sykluslivet til LiC som inkorporerer aktivert karbon-elektroden. Optimalisering av elektrolyttdielektrikumet ble avslørt som en metode for å forbedre den elektrokjemiske stabiliteten til LiC gjennom forbedret anion oksidativ stabilitet. Elektrolyttløsninger med høyt dielektrikum ga et forsterket solvatiserings skall rundt PF6-anionet. Dette dempet anion degraderingen når den ble utsatt for høye polarisasjonspotensialer i det indre Helmholtz-planet (plassert ved aktivert karbon-elektrodens dobbeltlag). Derfor kan sykluslevetiden til LiC og andre energilagringsenheter som inneholder aktivert karbon-elektroden forlenges ved å øke dielektrikumet til elektrolytten.

A method of producing activated carbon on a large scale using a rotary kiln was developed. Carefully designed experiments were conducted to optimise the process operating parameters, yielding high-quality activated carbon for use as electrode materials in Beyonder’s Lithium-ion capacitors. In addition, detailed studies were conducted on the interactions between the activated carbon electrode and Li-ion electrolyte to understand the failure mechanisms and causes of its capacity fade during the operation of Lithium-ion capacitors. The failure mechanisms were identified, and the degradation-induced transformations were reported. Furthermore, a method for extending the cycle life by delaying the electrolyte degradation at the activated carbon electrode surface was discovered. The knowledge of these degradation mechanisms and methods for mitigating such will aid the research community in developing high-performance and long cycle-life Lithium-ion capacitors incorporating the activated carbon cathode.

The purpose of the PhD project will be to upscale the production of activated carbon using a rotary kiln. The use of activated carbon spans across a broad range of fields. Water purification, gas adsorption/storage, electrode fabrication in energy storage devices are some of the most common applications. With the rising quest for clean energy, it has become necessary to provide adequate energy storage mediums to cater for the erratic nature of renewable energy storage devices especially in periods of intermittency. Activated carbon electrodes have been widely used due to their large surface area in energy storage devices, most notably super-capacitors to satisfy high power, long cycle life and high rate capability requirements. At present, most of the activated carbon R&D work is typically carried out on a batch scale, utilizing small sized reactors with an activated carbon yield in grams after each run. The rotary kiln is a larger reactor which would upscale the production and reduce the need to purchase activated carbon. Laboratory batch reactor experiments have proven that saw dust can be converted into valuable activated carbon with very high surface areas up to 3000 m2/g. However, the use of the rotary kiln for large scale production of activated carbon has not been potentially exploited. Challenges related to heat and mass transfer occurring during the reaction, in addition to control of mean residence time for optimum activation of the precursor have been encountered. Interaction between process parameters such as mass flow rate of precursor, rotating speed, activation agent mass/mass flow rate, inclination angles of rotary kiln has made process of modelling and simulation cumbersome with simulated results not in close fit to actual experiment outcomes at certain experimental conditions. Experiments would be efficiently designed in this PhD project to upscale, study and optimize process parameters affecting activated carbon production.