Enhancing gel electrolyte performance in lead-acid batteries using conductive polymer/graphite composites
Jel elektrolit tabanlı kurşun-asit akülerde iletken polimer/grafit kompozit katkılarla performans artırımı
- Tez No: 1012840
- Danışmanlar: PROF. DR. METİN GENÇTEN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Yıldız Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu çalışmada, kimyasal olarak sentezlenen iletken polimerler (CP'ler) ve bunların kompozitleri, jel tipi valf kontrollü kurşun-asit (VRLA) akülerde elektriksel iletkenliği ve jel elektrolitin yük transfer özelliklerini artırmak amacıyla literatürde ilk kez katkı maddesi olarak kullanılmıştır. Polianilin (PANi), polipirrol (PPy), politiyofen (PTF), polianilin/grafit (PANi/G) ve politiyofen/grafit (PTF/G), uygun monomer ve asit konsantrasyonları kullanılarak kimyasal oksidatif polimerizasyon yöntemiyle sentezlenmiştir. Elde edilen tozlar, jel elektrolit uygulamalarına uygunluklarını belirlemek amacıyla spektroskopik ve mikroskobik tekniklerle karakterize edilmiştir. Jel optimizasyonu için kritik öneme sahip olan katkı maddesi oranı, karıştırma süresi ve karıştırma hızı gibi üç temel parametre değiştirilerek farklı jel sistemleri hazırlanmıştır. Performans değerlendirmesi amacıyla döngüsel voltametri (CV), elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) ve Tafel ekstrapolasyonu gibi elektrokimyasal analizler gerçekleştirilmiştir. En uygun koşullar; %0,6 PANi (90 dk, 500 rpm), %0,6 PANi/G (150 dk, 500 rpm), %0,8 PPy (60 dk, 500 rpm) ve %0,2 PTF ile PTF/G (30 dk, 500 rpm) olarak belirlenmiştir. Bu sistemler, redoks aktivitesi, düşük yük transfer direnci, gelişmiş difüzyon özellikleri ve yüksek korozyon direnci açısından üstün elektrokimyasal performans sergilemiştir. Optimize edilen sistemler üzerinde galvanostatik şarj-deşarj (GCD) testleri uygulanmış; başlangıç kapasitesi 5 mA g-1 akım yoğunluğunda ölçülmüş ve çevrim kararlılığı 10 mA g-1'de 200 çevrim boyunca değerlendirilmiştir. Sonuçlar, hem dumanlı silika bazlı jel elektrolit hem de sulu sülfürik asit elektrolitine kıyasla Coulomb verimliliği, kapasite korunumu ve çevrimsel kararlılık açısından önemli iyileşmeler göstermiştir. En yüksek başlangıç kapasitesi PTF/G bazlı jel için 55,75 mAh g-1 olarak elde edilmiş; bunu sırasıyla PANi, PANi/G, PPy ve PTF sistemleri izlemiştir. Tüm sistemler referans elektrolitlere göre daha üstün performans göstermiştir. Genel olarak, iletken polimerlerin ve kompozitlerinin kullanımı, VRLA jel elektrolitlerin elektrokimyasal performansını önemli ölçüde artırmakta olup, ileri enerji depolama uygulamaları için yüksek potansiyel sunmaktadır.
Özet (Çeviri)
In this work, chemically synthesized conductive polymers (CPs) and their composites were introduced for the first time as additive materials in gel-type valve-regulated lead–acid (VRLA) batteries to enhance electrical conductivity and charge transfer characteristics of the gel electrolyte. Polyaniline (PANi), polypyrrole (PPy), polythiophene (PTF), polyaniline/graphite (PANi/G), and polythiophene/graphite (PTF/G) were synthesized via chemical oxidative polymerization using different concentrations of monomers, and acids. The obtained powders were characterized using spectroscopic and microscopic techniques to determine their suitability for gel electrolyte applications. A series of gel systems were prepared by varying three key parameters: additive content, stirring time, and stirring rate, which are critical for gel optimization. Electrochemical analyses, including cyclic voltammetry (CV), electrochemical impedance spectroscopy (EIS), and Tafel extrapolation, were conducted to evaluate performance. The optimal conditions were identified as follows: 0.6 wt% PANi (90 min, 500 rpm), 0.6 wt% PANi/G (150 min, 500 rpm), 0.8 wt% PPy (60 min, 500 rpm), and 0.2 wt% PTF and PTF/G (30 min, 500 rpm). These systems exhibited superior electrochemical behavior in terms of redox activity, reduced charge transfer resistance, improved diffusion characteristics, and enhanced corrosion resistance. Galvanostatic charge–discharge (GCD) tests were performed on the optimized systems, with initial capacity measured at 5 mA g-1 and cycling stability evaluated over 200 cycles at 10 mA g-1. The results demonstrated significant improvements in coulombic efficiency, capacity retention, and cyclic stability compared to both fumed silica-based gel electrolyte and aqueous sulfuric acid electrolyte. The highest initial capacity was achieved by the PTF/G-based gel (55.75 mAh g-1), followed by PANi, PANi/G, PPy, and PTF systems, all outperforming the reference systems. Overall, the incorporation of CPs and their composites effectively enhance the electrochemical performance of VRLA gel electrolytes, highlighting their strong potential for advanced energy storage applications.
Benzer Tezler
- Lityum iyon bataryalar için kobalt içermeyen düşük maliyetli katot elektrotlarının sentezi
Synthesis of cobalt-free low-cost cathode electrodes for lithium-ion batteries
SÜMEYYE KILIÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
EnerjiSakarya ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET OĞUZ GÜLER
- Lityumca zengin nikel kobalt mangan oksit (NCM) katot üretimi ve Al2O3 yüzey modifikasyonu ile elektrokimyasal özelliklerinin geliştirilmesi
Production of lithium rich NCM cathode via sol-gel method & enhancing electrochemical properties with Al2O3 surface modification
HALİS GENÇER KÜL
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖZGÜL KELEŞ
- Yeni 1,3-bis(2-piridilimino) izoindol (bpı) bileşiklerinin sentezi ve enerji alanında uygulamaları
Synthesis of new 1,3-bis(2-pyridilimino) isoindol (bpi) compounds and their applications in energy
SELİN GÜMRÜKÇÜ
- Lityum iyon piller için üç boyutlu grafen/karbon nanotüp/silisyum nanokompozit anotların geliştirilmesi
Development of three-dimensional graphene/carbon nanotube/silicon nanocomposite anodes for lithium-ion batteries
SELİN DEMİRCİ
Doktora
Türkçe
2024
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilimi ve Teknolojileri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NİLGÜN YAVUZ
- SUSTAINABLE ELECTRODES FOR THE NEXT GENERATION OF ENERGY STORAGE DEVICES
Gelecek nesil enerji depolama cihazları için sürdürülebilir elektrotlar
DİLARA KÖROĞLU
Doktora
İngilizce
2025
Kimya MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ BETÜL URALCAN KILAVUZ