Master's Thesis

Optimization of electrode production for Li-S batteries

Final Thesis 8.76 MB

Author of thesis: Ing. Josef Komár

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. David Trochta

Reviewer: Ing. Antonín Šimek

Abstract:

This master’s thesis focuses on the optimization of cathode fabrication for lithium–sulfur (Li–S) batteries, which represent a promising alternative and complement to conventional lithium-ion (Li-ion) systems. The aim of the thesis was to experimentally verify the influence of various electrode preparation methods on the microstructure and electrochemical properties of cathodes, with emphasis on improving capacity and cycling stability. The theoretical part summarizes the operating principle of Li–S batteries, the main degradation mechanisms, and current approaches to the preparation of cathode materials. The experimental part is focused on the preparation of composite electrodes based on sulfur, carbon, and a polymer binder using magnetic stirring, planetary and vibratory milling, and Ultra-Turrax homogenization. Structural characterization was carried out using scanning electron microscopy (SEM) and energy-dispersive spectroscopy (EDS), while electrochemical properties were evaluated by galvanostatic cycling with potential limitation (GCPL) and cyclic voltammetry (CV). It was found that the preparation method significantly affects the homogeneity, microstructure, and resulting electrochemical properties of the electrodes.

Keywords:

Lithium-sulfur batteries, Li-S, optimization, electrode preparation, electrochemical characterization, microstructure

Date of defence

09.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student seznámil státní zkušební komisi s cíli a řešením závěrečné vysokoškolské práce a zodpověděl otázky a připomínky oponenta Otázky: - Jak metoda přípravy ovlivňuje tloušťku vrstvy po nanesení a samotné lisování ovlivňuje kapacitu? Lze porovnat? - Na úkor kterého plateau Vám klesá kapacita a nebo se naopak zvyšuje kapacitu vzorků?

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Electrical Manufacturing and Management (MPC-EVM)

Composition of Committee

doc. Ing. Petr Vyroubal, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Ladislav Chladil, Ph.D. (člen)
Ing. Pavel Čudek, Ph.D. (člen)
Ing. Zdenka Rozsívalová (člen)
prof. Ing. Jiří Kazelle, CSc. (předseda)
Ing. Jiří Báňa (člen)
Ing. David Trochta (člen)

Supervisor’s report
Ing. David Trochta

Student Bc. Josef Komár odevzdal diplomovou práci zaměřenou na vyhodnocení vlivu různých metod přípravy kompozitních materiálů pro katody Li-S akumulátorů v celkovém rozsahu 94 stran. Během řešení pracoval průběžně a zodpovědně jak v laboratorní části, tak při zpracování výsledků a sepisování práce. Práce byla pravidelně konzultována a student aktivně reagoval na připomínky i doporučení vedoucího. Předložená práce obsahuje odpovídající teoretický úvod do řešené problematiky a jasně formulované cíle v souladu se zadáním. Student zvolil vhodnou metodologii vedoucí k jejich splnění a práci logicky uspořádal tak, že jednotlivé kapitoly na sebe plynule navazují a celek působí kompaktně a přehledně. Při zpracování práce také vhodně pracoval s odbornými zdroji, využíval aktuální zahraniční vědeckou literaturu a současně navazoval na výsledky a zkušenosti předchozích studentských prací, které dokázal vhodně kombinovat.

Výsledky dosažené v diplomové práci považuji za zajímavé a přínosné pro další práci v našich laboratořích. Mohou přispět k navazujícímu výzkumu, nebo posloužit jako základ pro další studentské práce. Oceňuji zejména závěrečnou diskuzi dosažených výsledků a jejich vzájemné porovnání. Drobnou výtku mám ke stylistické stránce textu a k použití několika méně vhodně zvolených termínů, tyto nedostatky však nijak zásadně nesnižují odbornou úroveň ani celkovou kvalitu předložené práce. Zadání i stanovené cíle práce byly splněny, a proto práci doporučuji k obhajobě a hodnotím ji klasifikačním stupněm A, 95 bodů. Points proposed by supervisor: 95

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Antonín Šimek

Předložená práce je zaměřena na vysoce aktuální a perspektivní téma optimalizace výroby katod pro Li-S akumulátory, což je problematika s velkým potenciálem pro praktické uplatnění v oblasti moderních bateriových systémů. Teoretický úvod do problematiky Li-ion a Li-S akumulátorů je zpracován velmi detailně a na vysoké úrovni. Zvláště oceňuji důkladně provedenou rešerši publikací zaměřených na problematiku přípravy elektrodových past pro Li-S systémy. Práce se opírá o 34 relevantních citací, přičemž drtivá většina zdrojů pochází z recenzovaných vědeckých článků.
Experimentální část práce je logicky strukturovaná a soustředí se na návrh a realizaci výrobního postupu kompozitních katod na bázi síry, uhlíku a polymerního pojiva. Jsou porovnány čtyři odlišné přístupy přípravy elektrodové pasty (magnetické míchání, planetární mletí, vibrační mletí a homogenizace pomocí zařízení IKA Ultra-Turrax).
Zpracování a interpretace získaných výsledků jsou na velmi vysoké úrovni. Velmi pozitivně hodnotím především kapitoly 10.5 a 10.6, které obsahují celkové srovnání dosažených výsledků pro jednotlivé metody přípravy elektrodové pasty. Zde shrnuté poznatky mají vysokou přidanou hodnotu a budou nepochybně velmi užitečné pro budoucí fungování a výzkum bateriové skupiny na UETE.
Z formálního hlediska je práce zpracována pečlivě. Mám pouze dvě drobnější připomínky, které však nesnižují celkovou vysokou kvalitu textu. V práci se občas vyskytuje nejednotnost v zápisu fyzikálních jednotek, kdy je střídán formát mAh/g a mA.g-1. Jedná se spíše o kosmetickou drobnost. V tabulce 10.16, která shrnuje porovnání technologických parametrů přípravy elektrod, jsou obsaženy velmi cenné informace. Její čitelnost by se však výrazně zvýšila vhodnější vizuální interpretací výsledků (například aplikací barevné škály), aby čtenář na první pohled dokázal lépe identifikovat, jaké hodnoty představují pozitivní a jaké naopak negativní výsledek.
Předložená práce svými parametry bezpochyby splňuje a v mnoha ohledech i převyšuje požadavky kladené na diplomovou práci. Získané výsledky jsou přesvědčivé a velmi dobře interpretované. Na základě výše uvedeného doporučuji práci k obhajobě a hodnotím 98b (A). Topics for thesis defence:
  1. V popisu přípravy vzorků Ultra-Turrax S8 a S11 uvádíte shodné parametry – stejný poměr materiálů i stejnou dobu míchání (50 min). V čem přesně spočíval technologický rozdíl při přípravě těchto dvou vzorků?
  2. V experimentální části využíváte elektrolyt 0,7M LiTFSI+0,3M LiNO3 v DOL/DME 1/2. Jakou roli hraje samotný elektrolyt v mechanismu fungování Li-S akumulátorů a jak jednotlivé složky elektrolytu ovlivňují fungování celého systému?
  3. Když odhlédneme od dosažených výsledků, která ze čtyř zkoumaných metod přípravy elektrodové pasty se Vám z hlediska samotné laboratorní práce jevila jako nejpraktičtější a kterou byste pro budoucí rutinní přípravu upřednostnil a proč?
Points proposed by reviewer: 98

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová