Understanding fundamentals of batteries and supercapacitors via temperature-dependent non-linear impedance spectroscopy
Sıcaklığa bağlı doğrusal olmayan empedans spektroskopisi yoluyla pillerin ve süperkapasitörlerin temellerinin anlaşılması
- Tez No: 1025360
- Danışmanlar: PROF. DR. BURAK ÜLGÜT
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Elektrokimyasal empedans spektroskopisi, Electrochemical impedance spectroscopy
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS), elektrokimyasal sistemlerin incelenmesinde en yaygın kullanılan tekniklerden biridir. Ancak EIS, çoğu zaman belirsizlikler içermektedir. Bu çalışmada, sıcaklığa bağlı ve doğrusal olmayan empedans spektroskopisinin ek bilgi sağlayarak bu belirsizlikleri nasıl azaltabileceği araştırılmıştır. Mevcut bir batarya modeli, sıcaklık bağımlılığını tanımlamak amacıyla Arrhenius denklemleri eklenerek geliştirilmiştir. Ayrıca, ek bilgi sağlamak amacıyla doğrusal olmayan harmonik yanıtlar modele dahil edilmiştir. Parametre uyumunu iyileştirmek için sıcaklık ekseni boyunca çalışan ardışık bir uyumlama yöntemi geliştirilmiştir. Tek bir sıcaklıkta gerçekleştirilen doğrusal EIS ölçümlerinde farklı parametre kümeleriyle benzer empedans yanıtlarının elde edilebildiği gözlemlenmiştir. Sıcaklığın ek bir değişken olarak kullanılması, üst üste binen süreçlerin aktivasyon enerjilerine göre ayrıştırılmasını sağlarken, doğrusal olmayan harmonik yanıtlar da geleneksel empedans ölçümlerinin ötesinde tamamlayıcı bilgiler sunmaktadır. Sıcaklık bağımlılığının modele dahil edilmesi, deneysel verilere uyumu önemli ölçüde iyileştirmesine rağmen, elde edilen sonuçlar güncel fizik tabanlı batarya modellerinin deneysel davranışı yeniden üretmede bazı sınırlamalara sahip olduğunu göstermektedir. Bu sınırlamalar, özellikle deneysel olarak gözlenen doğrusal olmayan davranışın modellenmesinde belirgin olup, önemli elektrokimyasal süreçlerin mevcut modellerde ya yer almamasından ya da aşırı doğrusallaştırılmış olmasından kaynaklanmaktadır. Ayrıca, modeller elektrotları ortalama özelliklerle temsil ettikleri için gözenekli elektrotların dağıtılmış yapısını yansıtamamaktadır. Bu sonuçlar daha gelişmiş batarya modellerine ihtiyaç duyulduğunu göstermektedir. Elektrokimyasal çift tabaka kapasitansını incelemek amacıyla ticari elektriksel çift tabaka kapasitörleri (EDLC) üzerinde sıcaklığa bağlı kapasitans ölçümleri de gerçekleştirilmiştir. Düşük frekans bölgesinde sabit faz elemanı (CPE) ile yapılan uyumlamanın, iletim hattı (transmission-line) modeliyle yapılan uyumlamaya göre daha başarılı sonuçlar verdiği bulunmuştur. Ölçülen kapasitansın hem gerilime hem de sıcaklığa bağlı olduğu, ayrıca AC ve DC kapasitans ölçümlerinin sıcaklığa bağımlılıklarının belirgin biçimde farklılık gösterdiği gözlemlenmiştir. Bu sonuçlar, gözenekli elektrotlardaki elektrokimyasal çift tabakanın sıcaklık bağımlılığının hâlen tam olarak anlaşılamadığını göstermekte ve gelecekte üç elektrotlu ölçümlerle yapılacak çalışmalar için bir motivasyon kaynağı olmaktadır.Bir anlayış oluşturulduktan sonra, elde edilen bulgular mevcut batarya modellerindeki kapasitansla ilişkili bileşenlerin geliştirilmesi yoluyla batarya sistemlerine uyarlanabilir.
Özet (Çeviri)
Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) is one of the most widely used techniques for investigating electrochemical systems. However, EIS often suffers from ambiguity. This work investigates how temperature-dependent and non-linear impedance spectroscopy can reduce this ambiguity by providing additional information. We have modified an existing battery model with Arrhenius equations to govern temperature dependence. We also implemented non-linear harmonic responses as additional information. To improve parameter fitting, we developed a sequential fitting method that operates along the temperature axis. We observed that we can obtain similar impedance responses with different parameter sets in single-temperature linear EIS. Introducing temperature as an additional variable separates overlapping processes according to their activation energies, while non-linear harmonic responses provide complementary information beyond conventional impedance measurements. Although temperature dependence significantly improves the fit to experimental data, the results also reveal limitations of state-of-the-art physics-based battery models in reproducing the experimental response. These limitations are particularly evident in capturing the experimentally observed non-linear behavior, suggesting that important electrochemical processes are either absent or overly linearized. Furthermore, the models cannot capture the distributed nature of the electrodes because they rely on averaged properties, indicating the need for further model development. Temperature-dependent capacitance measurements were also performed on commercial electrochemical double-layer capacitors (EDLCs) to investigate double-layer capacitance. We found that low-frequency constant-phase-element (CPE) fitting yielded better results than transmission-line fitting. The measured capacitance exhibited both voltage and temperature-dependent behavior, while AC and DC capacitance measurements showed distinctly different temperature dependencies. These observations suggest that the temperature dependence of the electrochemical double layer in porous electrodes remains incompletely understood and motivate future investigations using three-electrode measurements. After establishing an understanding, the findings can be extended to battery systems by improving the capacitance-related components of existing battery models.
Benzer Tezler
- Scalable synthesis and energy applications of defect engineered nano materials
Başlık çevirisi yok
MEHMET KARAKAYA
- Lityum iyon batarya uygulamaları için polipirol esaslı anot bağlayıcılar
PPY based anode binder for lithium ion battery application
IŞIK İPEK AVCI
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BELKIZ USTAMEHMETOĞLU
- Micro/nano-engineered techniques for enhanced pool boiling heat transfer
Havuz kaynaklı ısı transferi için mikro / nano mühendisli teknikleri
ABDOLALİ KHALILI SADAGHIANI
Doktora
İngilizce
2019
Kimya MühendisliğiSabancı ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ KOŞAR
- Sodyum-selenyum pil sisteminin geliştirilmesi
Development of sodium-selenium batteries
ZEYNEP ERDÖL
Doktora
Türkçe
2023
Metalurji MühendisliğiGebze Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ ATA
PROF. DR. REZAN DEMİR ÇAKAN
- Elektrikli araçlarda kullanılan batarya malzemelerinin kıyaslanarak söndürme tekniklerinin geliştirilmesi
Comparison of battery materials used in electric vehicles and development of fi̇re suppression techniques
FATİH ŞAKUÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2026
Bilim ve TeknolojiSakarya ÜniversitesiYangın Güvenliği ve Yanma Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAKAN SERHAD SOYHAN
DR. ZAFER KAHRAMAN