Geri Dön

Polimer jel elektrolitlerin hazırlanması ve iyonik iletkenlik özelliklerinin incelenmesi

Preparation of polymer gel electrolytes and investigation of their conductivities

PDF İndir

  1. Tez No: 332321
  2. Yazar: MELİKE YILDIRAN
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. SELVA ÇAVUŞ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2013
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Proses ve Reaktör Tasarımı Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 146

Özet

Bu tez çalışması kapsamında lityum pilleri, boya ile duyarlılaştırılmış güneş hücreleri gibi elektrokimyasal hücrelerde kullanılmak üzere polimer jel elektrolitler hazırlanmıştır. Tez çalışması birbirinden bağımsız olarak hazırlanmış iki kısımdan oluşmaktadır. Tezin ilk kısmında poli(etilen glikol)/poli(2-akrilamido-2-metil-1-propan sülfonik asit) (PEG/PAMPS) jelleri deiyonize su içerisinde molce %1 amonyum persülfat (APS) başlatıcısı kullanılarak hazırlanmıştır. Polimerizasyon reaksiyonu sıcaklık kontrollü su banyosunda 24 saat süre ile 70 °C?de gerçekleştirilmiştir. Polimerik jeller vakum altında 24 saat süre ile 70 °C?de kurutulmuştur. Hazırlanan sıvı elektrolit karışımı kurutulan PEG/PAMPS jellerine eklenmiştir. Oda sıcaklığında bekletilerek homojen ve akmaz yapıda polimer jel elektrolit (PJE)?ler elde edilmiştir. Tez çalışmasının ikinci kısmında ise poli(etilen glikol)/poli(glisidil metakrilat) (PEG/PGMA) jeli ağırlıkça %1 amonyum persülfat (APS) başlatıcısı kullanılarak hazırlanmıştır. Polimerizasyon reaksiyonu sıcaklık kontrollü su banyosunda 24 saat süre ile 70 °C?de gerçekleştirilmiştir. Hazırlanan sıvı elektrolit karışımı PEG/PGMA jellerine eklenmiştir. Oda sıcaklığında bekletilerek homojen ve akışkan özellikte polimer jel elektrolit (PJE)?ler elde edilmiştir. Tez çalışması ile ilk defa PEG/PAMPS ve PEG/PGMA jelleri hazırlanmış, polimer jel elektrolit (PJE) eldesi amacıyla kullanılmış ve karakterize edilmiştir. PEG/PAMPS esaslı polimer jel elektrolit (PJE)?ler hazırlanırken 1-metil-2-pirolidon (NMP) ve ?-butirolakton (GBL) organik çözücüleri seçilmiştir. Sodyum iyodür/iyot (NaI/I2) ikilisi redoks çifti oluşturmak amacıyla organik çözücü karışımında çözülmüştür. PJE?lerin tümünde alkali iyodür tuzu/iyot mol oranı 10/1 olacak şekilde sabit tutulmuştur. Hazırlanan PJE?lerde alkali metal iyodür tuzunun konsantrasyonunun iyonik iletkenlik (?) ve sıvı elektrolit tutma değeri (Qe) üzerine olan etkisi incelenmiş ve 0.4M NaI?de maksimum nokta gözlenmiştir. AMPS monomerinin konsantrasyonu, 1M ve 1.5M olmak üzere farklı bileşimlerde hazırlanan PJE?lerde 1.5M AMPS içeren örnekte daha yüksek ? ve Qe değerleri elde edilmiştir. Hacimce farklı NMP:GBL oranlarında hazırlanan PJE?lerin iyonik iletkenlik ve sıvı elektrolit tutma değerleri karşılaştırılmış ve en uygun değerin hacimce 7:3 NMP:GBL olduğuna karar verilmiştir. Farklı alkali metal iyodür tuzlarının (NaI ve LiI) iyonik iletkenlik (?) ve sıvı elektrolit tutma değeri (Qe) üzerine olan etkisi incelendiğinde ise NaI tuzu ile hazırlanan PJE?in daha yüksek ? ve Qe değerlerine ulaştığı görülmüştür. Ayrıca iyonik iletkenliğin sıcaklık ile değişimi incelenerek PJE?lerin iletkenlik mekanizması belirlenmiştir. 20-70 °C arasında ölçülen değerler ile ln?-1/T grafiği çizilmiş ve PJE?lerin Arrhenius Denklemi?ne uyan bir davranış sergilediği gözlemlenmiştir. İletkenliği en yüksek (2.58 mS/cm) olan PEG/PAMPS(1.5M)-0.4 polimer jel elektrolitinin en düşük aktivasyon enerjisine (Ea=18.17 kJ mol-1 K-1) sahip olduğu görülmüştür. Hazırlanan jellerin ve PJE?lerin yapısal karakterizasyonları Fourier Transform Infrared Spektroskopisi (FTIR), termal karakterizasyonları Diferansiyel Taramalı Kalorimetre (DSC) ve Termal Gravimetrik Analiz (TGA) yöntemleri kullanılarak gerçekleştirilmiştir. PEG/PAMPS polimerinin morfolojik yapısı Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ile aydınlatılırken, PJE?lerin yapısal özellikleri X-Işını Kırınımı Analizi (XRD) ve UV-Vis Absorpsiyon Spektroskopisi (UV-Vis) yöntemleri kullanılarak gerçekleştirilmiştir. PEG/PGMA esaslı polimer jel elektrolit (PJE)?ler hazırlanırken polimer jel elektrolit (PJE)?lerdeki uçuculuk sorununu gidermek için kaynama noktası yüksek olan etilen karbonat (EC) ve propilen karbonat (PC) organik çözücüleri seçilmiştir. EC?ın kristalizasyonunu engellemek amacı ile PC ilave edilmiş ve hacimce EC:PC oranı 8:2 olarak alınmıştır. Sodyum iyodür/iyot (NaI/I2) çifti ve potasyum iyodür/iyot (KI/I2) çifti karışımda redoks çifti oluşturmak amacıyla çözülmüştür. Hazırlanan sıvı elektrolit karışımı PEG/PGMA jellerine eklenmiştir. Oda sıcaklığında bekletilerek homojen ve akışkan özellikte polimer jel elektrolit (PJE)?ler elde edilmiştir. PJE?lerin tümünde alkali iyodür tuzu/iyot mol oranı 10/1 olacak şekilde sabit tutulmuştur. Hazırlanan PJE?lerde ağırlıkça polimer yüzdesinin iyonik iletkenlik üzerine etkisi incelenmiş ve polimer yüzdesi ağırlıkça %10?dan %20?ye arttırıldığında iyonik iletkenlik değerinin (?) azaldığı, polimer zincirlerinin iyon iletimini engellediği belirlenmiştir. Sodyum iyodür (NaI) ve potasyum iyodür (KI) olmak üzere farklı alkali iyodür tuzları ile hazırlanan örneklerde KI içerenlerin ? değerleri daha yüksek bulunmuştur. Ayrıca iyonik iletkenliğin sıcaklık ile değişimi incelenerek PJE?lerin iletkenlik mekanizması belirlenmeye çalışılmıştır. 20-70 °C arasında ölçülen değerler ile ln?-1/T grafiği çizilmiş ve PJE?lerin Arrhenius Denklemi?ne uyan bir davranış sergilediği gözlemlenmiştir. İletkenliği en yüksek (5.39 mS/cm) olan PEG/PGMA-10K polimer jel elektrolitinin en düşük aktivasyon enerjisine (Ea=15.13 kJ mol-1 K-1) sahip olduğu görülmüştür. Sentezlenen PEG/PGMA jelinin ve PEG/PGMA esaslı PJE?lerin yapısal karakterizasyonları Fourier Transform Infrared Spektroskopisi (FTIR), termal karakterizasyonları Diferansiyel Taramalı Kalorimetre (DSC) ve Termal Gravimetrik Analiz (TGA) yöntemleri kullanılarak gerçekleştirilmiştir. PEG/PGMA jelinin morfolojik yapısı Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) yöntemi ile aydınlatılmıştır.

Özet (Çeviri)

In this thesis study, polymer gel electrolytes whicih can be used in lithium batteries, dye sensitized solar cells etc. were prepared. Thesis study consists of two independent studies. In the first part of the thesis, poly(ethylene glycol)/poly(2-acrylamido-2-methyl-1-propane sulfonic acid) (PEG/PAMPS) polymer gel was prepared in deionized water in the presence of amonium persulfate (APS) as initiator. APS was used in the amount of 1 mol % of AMPS monomer in the feed. Polymerization reaction was taken place in a water bath with temperature controller at 70 °C for 24 h. Polymeric gels were dried under vacuum at 70 °C for 24 h. The prepared liquid electrolyte was added into dried polymer gel. Homogen and immobile polymer gel electrolyte (PGE) was attained at room temperature. In the second part of the thesis, poly(ethylene glycol)/poly(glycidyl methacrylate) (PEG/PGMA) polymer gel was prepared in the presence of amonium persulfate (APS) as initiator. APS was used in the amount of 1 weight % of GMA monomer in the feed. Polymerization reaction was taken place in a water bath with temperature controller at 70 °C for 24 h. The prepared liquid electrolyte were added to prepared PEG/PGMA gels Homogen and mobile polymer gel electrolyte (PGE) was attained at room temperature. In the thesis study, PEG/PAMPS and PEG/PGMA polymer gels was prepared, used as polymer gel electrolytes and characterized for the first time. During preparing PEG/PAMPS-based polymer gel elektrolytes, 1-methyl-2- pyrrolidone (NMP) and ?-butyrolactone (GBL) were chosen as organic solvents Sodium iodide (NaI)/iodine (I2) were used as redox couples and were dissolved in this organic solvent/ solvent mixtures. In all of the polymer gel electrolytes, alkali iodide salt/iodine mole concentration was kept 10/1. The effect of the concentration of alkali metal iodide salt was investigated on ionic conductivity (?) and liquid electrolyte uptake (Qe) and a maxiumum point was obtained at 0.4M NaI. Polymer gel electrolytes which had 1 M or 1.5 M AMPS monomer concentration, higher ? and higher Qe values were obtained for 1.5M. Ionic conductivity and liquid electrolyte uptake values of PGE?s in different volume ratio of NMP:GBL organic solvent mixtures were compared, the highest ionic conductivity and the highest liquid electrolyte uptake value, was observed when NMP:GBL volume ratio was 7:3. When the different type of alkali metal iodide salts (NaI or LiI) was investigated, higher ? and higher Qe values were obtained for NaI. Besides, ionic conductivity depending on the temperature was measured and conductivity mechanism of PGE was discussed. With the measured ionic conductivities at 20-70°C, ln?-1/T curve was fitted and it was determined that polymer gel electrolyte indicated Arrhenius type conductivity. PEG/PAMPS(1.5M)-0.4 polymer gel electrolye which had the maximum ionic conductivity (2.58mS/cm), had the minimum activation energy (Ea=18.17 kJ mol-1 K-1).Structural and termal characterization of dried gels and polymer gel electrolytes were carried out using Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), Differential Scanning Calorimetry and Thermal Gravimetric Analysis (TGA), respectively. The morphological properties of PEG/PAMPS polymers was investigated using Scanning Electron Microscopy (SEM). The structural properties of polymer gel elekctrolytes were studied by X-Ray Diffraction (XRD) and UV-Vis Absorption Spectroscopy (UV-Vis). During preparing PEG/PGMA-based polymer gel electrolytes, solvents with high boiling points, ethylene carbonate (EC) and propylene carbonate (PC) were chosen as organic solvent mixture in order to overcome volatilization. And dielectric constants of these solvents are high to help ion dissociation. To hinder crystallization of EC, PC was added and volume ratio of EC:PC was kept 8:2. Sodium iodide/iodine (NaI/I2) and potassium iodide/iodine (KI/I2) were used as redox couples and were dissolved in this organic solvent mixture. The liquid electrolyte were added to prepared PEG/PGMA gels Homogen and mobile polymer gel electrolyte (PGE) was attained at room temperature. In all of the PGE?s, iodide salt/iodine mole concentration was kept 10/1. The effect of polymer content in polymer gel electrolyte was investigated, poylmer content of polymer gel electrolyte was changed form %10 to %20 weight, ionic conductivity decreased. It was determined that polymer chains blocked ion transfer. When the samples which were prepared with NaI or KI compared, KI-based samples showed higher ionic conductivity. Besides, ionic conductivity depending on the temperature was measured and conductivity mechanism of PGE was discussed. With the measured ionic conductivities at 20-70°C, ln?-1/T curve was fitted and it was determined that polymer gel electrolyte indicated Arrhenius type conductivity. PEG/PGMA-10K polymer gel electrolye which had the maximum ionic conductivity (5.39mS/cm), had the minimum activation energy (Ea=15.12 kJ mol-1 K-1). Structural and thermal characterization of gels and polymer gel electrolytes were carried out using Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), Differential Scanning Calorimetry and Thermal Gravimetric Analysis (TGA), respectively. The morphological properties of PEG/PGMA polymer was investigated using Scanning Electron Microscopy (SEM).

Benzer Tezler

  1. Tez No

    578950

    Poli (Vinil alkol) esaslı polimer jel elektrolitlerin hazırlanması ve iyonik iletkenlik özelliklerinin incelenmesi

    Preparation of poly (Vinyl alcohol) based polymer gel electrolytes and investigation of their ionic conductivities

    EMRAH DURGUN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Kimya Mühendisliğiİstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SELVA ÇAVUŞ

  2. Tez No

    866799

    Preparation of biocompatible composite 3d architectures based on graphene oxide (GO) and chitosan for flexible all solid state supercapacitors

    Esnek tüm katı hal süper kapasitörler için grafen oksit (GO) ve kitosan bazlı biyouyumlu kompozit 3d mimarilerin hazırlanması

    SAEIDEH ALIPOORILEMEESLAM

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Polimer Bilim ve TeknolojisiHacettepe Üniversitesi

    Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MURAT BARSBAY

  3. Tez No

    850150

    Preparation and characterization of polyacrylonitrile-based quasi-solid-state electrolytes for lithium-ion battery applications

    Lityum-iyon pil uygulamaları için poliakrilonitril bazlı yarı katı hal elektrolitlerin hazırlanması ve karakterizasyonu

    SABİHA EZGİ KAYA

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NİLGÜN KARATEPE YAVUZ

  4. Tez No

    817674

    Synthesis and characterization of binary solid-state electrolytes for energy storage devices

    Enerji depolama sistemleri için ikili katı-hal elektrolitlerin sentez ve karakterizasyonu

    TUĞÇE PINAR ÖZTÜRK

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Fizik ve Fizik MühendisliğiGebze Teknik Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SAVAŞ BERBER

    PROF. DR. ALİ GELİR

  5. Tez No

    662711

    Synthesis and characterization of silica based ionogels as solid state electrolyte for Li-ion polymer batteries

    Li-iyon polimer piller için katı-hal elektrolit olarak silika temelli iyonojellerin sentezi ve karakterizasyonu

    FATOŞ KOÇ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Kimya MühendisliğiEge Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ NİLAY GİZLİ

Geri Dön