Publication: Fabrication and characterization of activated carbon / graphene supercapacitor as an energy storage device and its equivalent circuit model
dc.contributor.affiliation | #PLACEHOLDER_PARENT_METADATA_VALUE# | en_US |
dc.contributor.author | Abdul Hakim Ab. Rahim | en_US |
dc.contributor.supervisor | Anis Nurashikin Nordin, Ph.D | en_US |
dc.contributor.supervisor | Nabilah Ramli, Ph.D | en_US |
dc.date.accessioned | 2024-10-07T03:01:27Z | |
dc.date.available | 2024-10-07T03:01:27Z | |
dc.date.issued | 2022 | |
dc.description.abstract | This thesis presents the investigations of graphene materials’ contribution when used in combination with the traditional supercapacitor electrode material, the Activated Carbon (AC). The analyses were conducted via material characterization and electrochemical characterization methods. The study also proposed a new Equivalent Circuit Model (ECM) that can be used as another characterization approach besides producing a better supercapacitor model in a virtual electronic system environment. Literature works show that a small amount of graphene addition on the AC electrode enhanced the performance of the electrode in an improved specific capacitance and lowered the internal resistance. However, some researchers reported that further graphene addition would offset the improvement as graphene typically has a lower specific surface area compared to the AC. This work explores the performance of supercapacitor electrodes with pure AC, pure graphene, and several AC-graphene composites ratios. Two types of graphene were used, two-dimensional graphene using Graphene Nanoplatelets (GNP) and three-dimensional graphene using Graphene Aerogel (GA). It was found that increasing GNP wt% in the electrode would increase the prototype’s specific capacitance in a linear relationship, with an insignificant effect on the internal resistance. On the other hand, 20 wt% GA on the electrode performs the best capacitance among the GA-based prototypes, while further GA wt% increase decreases the capacitance. Higher internal resistances were also recorded with higher GA wt%. Besides the capacitance and internal resistance, the role of graphene addition was also observed in the prototypes’ self-discharge behavior, especially on the charge-redistribution effect under the Open Cell Voltage (OCV) procedure. 20 wt% addition of GNP retained the most charges among the prototypes after being left for 60 minutes in OCV. The self-discharge result was used for the ECM profile fitting. The proposed ECM produces the best circuit fitting on self-discharge among works of literature, especially on the short-term response. This was achieved by introducing an intermediate layer of RC circuit branch that represents the transitional charge location domain between the Helmholtz layer and the Diffuse layer. The ECM was successfully tested on commercial supercapacitors and the prototypes from this study with an average Root Mean Squared Error of 0.2 %. Applications with a short-term open circuit such as the stop/start features in micro-hybrid vehicles can benefit from this ECM by getting a more accurate State of Charge of the energy storage system used. New insights can be extracted from the ECM as the simulation shows that the graphene addition facilitated the ions’ movement into the Helmholtz layer, whereas for the prototype without graphene, most of the ions were restricted at the intermediate layer. The new ECM has the potential to be used as a new characterization method for understanding the supercapacitor’s electrode-electrolyte interface. | en_US |
dc.description.abstractarabic | تقدم هذه الرسالة بحوث حول مساهمات مواد الجرافين عند دمجها مع قطب المكثف الفائق التقليدي وهو الفحم النشط (AC). أجريت التحليلات عن طريق تعريف خصائص المواد وطرق التعريف الكهروكيميائية. اقترحت الدراسة نموذجًا جديدًا للدائرة المكافئة (ECM) يمكن استخدامه كنهج آخر لتعريف الخصائص بالإضافة إلى إنتاج أفضل نموذج للمكثف الفائق في بيئة نظام إلكتروني افتراضية. أظهرت الدراسات السابقة أن إضافة كمية صغيرة من الجرافين إلى قطب الفخم النشط عززت من أداء القطب في سعة كهربية مخصصة وقللت من المقاومة الداخلية. ومع ذلك ، أفاد بعض الباحثين أن إضافة كمية أكبر من الجرافين ستكون له نتيجة عكسية لأن الجرافين عادةً ما تكون مساحة سطحه المخصصة أقل مقارنةً بالفحم النشط. يستكشف هذا البحث أداء أقطاب المكثف الفائق مع الفحم النشط النقي والجرافين النقي ونسب مختلفة من مركبات الجرافين والفحم النشط. تم استخدام نوعين من الجرافين: الجرافين ثنائي الأبعاد باستخدام الصفائح الدموية النانوية للجرافين (GNP)، والجرافين ثلاثي الأبعاد باستخدام الهلام الهوائي للجرافين أو الإيروجيل (GA). أشارت النتائج إلى أن الصفائح الدموية النانوية للجرافين في القطب مرتبطة بالسعة الكهربية المخصوص بعلاقة خطية أي أن زيادة النسبة المئوية لهذه الصفائح سوف تزيد من السعة الكهربية المخصصة للنموذج الأولي، ولكن تأثيرها ضئيل على المقاومة الداخلية. من ناحية أخرى ، فإن إضافة نسبة 20٪ من الهلام الهوائي للجرافين أو الإيروجيل إلى القطب تؤدي إلى حصولها على أفضل سعة كهربية ضمن النماذج الأولية المعتمدة على الهلام الهوائي أو الإيروجيل ، و تؤدي زيادة هذه النسبة المئوية إلى تقليل السعة الكهربية. تم أيضًا تسجيل مقاومات داخلية أعلى عند استخدام نسبة مئوية أعلى من هذا الهلام. تم ملاحظة تأثير زيادة الجرافين أيضًا على سلوك التفريغ الذاتي للنماذج الأولية-بالإضافة إلى خاصية السعة الكهربية والمقاومة الداخلية- خاصةً تلك المتعلقة بتأثير إعادة توزيع الشحنة تحت إجراء جهد الدائرة المفتوحة (OCV). حصلت نسبة إضافة 20٪ من الصفائح الدموية النانوية للجرافين على معظم الشحنات مقارنة بالنماذج الأولية بعد تركها لمدة 60 دقيقة في جهد الدائرة المفتوحة. تم استخدام نتيجة التفريغ الذاتي لمطابقة شكل نموذج الدائرة المكافئة ECM. بالنظر إلى الدراسات السابقة، فإن هذا النموذج يعد أكثرهم مطابقة لشكل نموذج الدائرة المكافئة عند التفريغ الذاتي، خاصة في حالة الاستجابة قصيرة المدى. تم تحقيق ذلك من خلال إدخال طبقة وسيطة لفرع دائرة المقاومة والمكثف RC والتي تمثل مجال موقع الشحنة الانتقالية بين طبقة هلمهولتز وطبقة الانتشار الثنائية diffuse. تم اختبار نموذج الدائرة المكافئة بنجاح على المكثفات الفائقة التجارية والنماذج الأولية لهذه الدراسة وحصل على متوسط جذر متوسط للخطأ التربيعي يبلغ 0.2٪. يمكن للتطبيقات ذات الدائرة المفتوحة قصيرة المدى -كخصائص التوقف / البدء في المركبات الهجينة الصغيرة- الاستفادة من نموذج الدائرة المكافئة من خلال الحصول على حالة شحن أكثر دقة للنظام المستخدم لتخزين الطاقة. يمكن استخلاص رؤى جديدة من نموذج الدائرة المكافئة حيث توضح المحاكاة أن إضافة الجرافين سهلت حركة الأيونات في طبقة هلمهولتز، أما بالنسبة للنموذج الأولي الخالي من الجرافين ، فكانت معظم الأيونات فيه مقيدة في الطبقة الوسطى. يتمتع نموذج الدائرة المكافئة الجديدة بإمكانية استخدامه كطريقة تعريف جديدة لفهم طريقة تفاعل قطب وإلكتروليت المكثف الفائق.. | en_US |
dc.description.callnumber | t TA 418.9 C6 A1362F 2022 | en_US |
dc.description.identifier | Thesis : Fabrication and characterization of activated carbon / graphene supercapacitor as an energy storage device and its equivalent circuit model / by Abdul Hakim bin Ab. Rahim | en_US |
dc.description.identity | t11100476755AbdulHakimBinAbRahim | en_US |
dc.description.kulliyah | Kulliyyah of Engineering | en_US |
dc.description.nationality | Malaysian | en_US |
dc.description.notes | Thesis (Ph.D)--International Islamic University Malaysia, 2022. | en_US |
dc.description.physicaldescription | xxi, 209 leaves : colour illustrations ; 30cm. | en_US |
dc.description.programme | Doctor of Philosophy (Engineering) | en_US |
dc.identifier.uri | https://studentrepo.iium.edu.my/handle/123456789/2895 | |
dc.language.iso | en | en_US |
dc.publisher | Kuala Lumpur : Kulliyyah of Engineering, International Islamic University Malaysia, 2022 | en_US |
dc.subject.lcsh | Composite materials | en_US |
dc.subject.lcsh | Energy storage | en_US |
dc.title | Fabrication and characterization of activated carbon / graphene supercapacitor as an energy storage device and its equivalent circuit model | en_US |
dc.type | Doctoral Thesis | en_US |
dspace.entity.type | Publication |
Files
Original bundle
License bundle
1 - 1 of 1