Assessing the electrical conductivity of carbon-based slurries

This thesis investigates the electrical conductivity and dispersion stability of carbon-based slurries using three types of carbon black (CB): acetylene carbon black, Vulcan XCMAX22, and Ketjen Black E300, with various surfactants. The slurries were obtained by dispersing the conductive material in the solvent through the use of probe ultrasonication or ball milling. Higher surface area CBs, especially Vulcan XCMAX22 and Ketjen Black E300, enhanced conductivity but posed stability challenges. Optimal conductivity was achieved with Vulcan XCMAX22 at 6% CB loading and a 1:10 CB to surfactant ratio using PVP in water. Comparatively, acetylene carbon black offered better slurry stability despite lower conductivity of the particles. The study also compares Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) and the constant potential method, revealing that EIS captures ionic and interfacial effects, while the constant potential method better measures electronic resistance. The comparison of EIS and constant potential method highlights the different aspects of resistance they measure. The findings highlight the importance of balancing surfactant concentration and CB loading to achieve stable, high-conductivity slurries.

Questa tesi studia la conducibilità elettrica e la stabilità di dispersioni a base di carbon black. In particolare, l’attività svolta si concentra sull’utilizzo di tre diverse fonti di carbonio: acetylene black, Vulcan XCMAX22 e Ketjen Black E300, con vari tensioattivi. Le dispersioni sono state ottenute sospendendo il materiale conduttivo in vari solventi, per mezzo di strumenti come la sonda ad ultrasuoni e il ball miller. I CB a più alta superficie, in particolare Vulcan XCMAX22 e Ketjen Black E300, hanno migliorato la conducibilità ma hanno posto problemi di stabilità. La conduttività ottimale è stata ottenuta con Vulcan XCMAX22 con un carico di CB del 6% e un rapporto di 1:10 tra CB e tensioattivo, utilizzando PVP in acqua. Allo stesso tempo, l’acetylene black ha offerto una migliore stabilità della dispersione, nonostante la minore conduttività delle particelle. Lo studio confronta anche la spettroscopia elettrochimica di impedenza (EIS) e il metodo a potenziale costante, rivelando che l'EIS cattura gli effetti ionici e interfacciali, mentre il metodo a potenziale costante misura meglio la resistenza elettronica. Il confronto tra il metodo EIS e quello a potenziale costante evidenzia i diversi aspetti della resistenza che misurano. I risultati evidenziano l'importanza di bilanciare la concentrazione di tensioattivi e il carico di CB per ottenere dispersioni stabili e ad alta conduttività.