Development of rare earth-free negative electrode materials for NiMH batteries
NiMH bataryalar için nadir toprak elementi içermeyen negatif elektrotların geliştirilmesi
- Tez No: 442334
- Danışmanlar: PROF. DR. TAYFUR ÖZTÜRK
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Enerji, Metalurji Mühendisliği, Energy, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2016
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 112
Özet
Ni/MH batarya negatif elektrotlarında yaygın olarak nadir toprak elementi içeren AB5 bileşikleri kullanılmaktadır. Ni/MH bataryalar için nadir toprak elementi içermeyen negatif elektrot malzemelerinin geliştirilmesi, malzemelerin temin edilebilirliği ve düşük maliyet açısından önemlidir. Birkaç alternatif olmakla beraber, bu alternatifler arasından AB2 alaşımları AB5 bileşiklerine göre daha yüksek kapasite sunmaları nedeniyle özellikle caziptir. Bu alaşım grubunun en önemli problemi zor aktive olmaları, başka bir deyişle tam kapasiteye ulaşılması için nispeten fazla sayıda şarj-deşarj döngüsü gerektirmeleridir. Bu çalışma, Laves fazlı C14 yapısında (TiZr)(VNiMnCrSn)2 kompozisyonlu AB2 alaşımını konu almakta ve hızlı aktivasyonu için yöntemlerin geliştirilmesini amaçlamaktadır. Çalışmada yöntemler iki grupta incelenmektedir. İlkinde parçacıkların yüzey alanındaki artışın etkisi incelenmekte, ikincisinde ise yüzey modifikasyonunun etkileri incelenmektedir. İşlem görmemiş alaşım elektrokimyasal ölçümlerinde sıfır olan başlangıç kapasitesi 14 döngü ile artarak 220 mAh/g'lık doyum kapasitesine ulaşmıştır. Yüzey alanının etkisini incelemek amacıyla eleme ve öğütme olmak üzere iki farklı metot kullanılmıştır. AB2 alaşım tozu d(0.5)=37.3, 62.7 ve 82.5 μm olmak üzere farklı parçacık boyutları elde edilecek şekilde elenmiştir. Ölçümler sonucunda iri parçacıklarla aktivasyonun daha hızlı olduğu ve 7-8 döngü sonrasında 245 mAh/g'lık bir kapasiteye ulaşıldığı görülmüştür. İri parçacıkların hızlı aktivasyonu taze yüzeylerin açığa çıkmasına yol açan parçacık ufalanması ile açıklanmıştır. İnce toz (d(0.5) = 37.3 μm) ise daha geç aktive olmakta ve düşük doyum kapasitesi vermektedir. Düşük doyum kapasitesinin aktif tozun bir kısmının elektrotla teması kaybetmesinden kaynaklandığı düşünülmektedir. Öğütme, alaşımın aktivasyon davranışını iyileştirmede daha etkindir. Tozun kısa süreli öğütülmesi parçacık boyutunda düşüşe neden olmuştur. Fakat uzayan öğütme süresi ile parçacıklar topaklanmakta ve böylelikle parçacık boyutu nispi bir artış göstermektedir. 5- 6 döngü ile 330 mAh/g'lık bir doyum kapasitesi elde edilmiştir. Bu kapasite tozun beklenen kapasitesi, yani gaz fazında ölçülmüş basınç-kompozisyon-eşsıcaklık eğrisinden beklenen olan kapasiteden bir miktar yüksektir. Uzayan öğütme süresi ile doyum kapasitesinde düşme oluşmaktadır. Yüzey modifikasyonu olarak kullanılan ana yöntem sıcak KOH işlemidir. Bu yöntemde elektrot hazırlama öncesi AB2 tozu değişen süreler ile kaynayan 6M KOH çözeltisi içerisinde bekletilmektedir. İncelenen tüm durumlarda sıcak KOH işlemi etkili olmuştur. 1-2 döngü içerisinde alaşımın aktive olduğu görülmüştür. Yapılan işlemde alaşım parçacıklarının nikelce zengin bir yüzey bırakarak liç olduğu gözlemlenmiştir. İşlem süresinin artması ile doyum kapasitesi artarak 80 dakikalık işlem ile en yüksek kapasiteye, 390 mAh/g'a ulaşmıştır. Bu değer, alaşımın 1 atm hidrojen basıncı altında gaz fazı depolama değeri olan kütlece 1.2 % H'in (320 mAh/g) üzerindedir. Bu iyileşme sonucu pürüzlü yüzey oluşumuna bağlanmış ve pürüzlü yüzeylerin hidrojen baloncuklarını kararlı hale getirerek yerel hidrojen basıncını arttırdığı sonucuna varılmıştır. İncelenen bir diğer metot AB2 alaşım tozunun NiO ile kaplanmasıdır. Bu amaçla işlem görmemiş parçacıklar sol-jel yöntemi ile NiO ile kaplanmış ve elektrotun şarj edilmesi ile Ni'e dönüşmesi hedeflenmiş ve bu şekilde KOH işleminde olduğu gibi nikelce zengin yüzey oluşturması amaçlanmıştır. İzlenen iki yöntemden birinde NiCl2, diğerinde ise NiNO3 kullanılmıştır. İçeriği detaylı olarak anlatılmış olan bu yöntemlerden yalnızca ikincisi ile kapasite elde edilmiş fakat her iki örneğin de aktivasyon performansı zayıf bulunmuştur.
Özet (Çeviri)
Ni/MH battery negative electrodes normally make use of rare earth AB5 compounds. Development of rare earth-free negative electrode materials for Ni/MH batteries is desirable so as to lower the cost, and widen the availability. Although there are a number of alternatives, of these AB2 alloys are particularly attractive, as they offer better capacities than AB5. A major problem in this group of alloys is that they are difficult to activate, i.e. they require a large number of cycles before they could reach their full capacity. The present work concentrates on a Laves phase C14 AB2 alloy, (TiZr)(VNiMnCrSn)2, and aims to develop methods for their rapid activation. The study examines the methods in two groups. In one, the methods aim to increase the surface area of the powders and in the other the methods aim for surface modifications. Pristine alloy had zero initial capacity, which has increased to and saturated at 220 mAh/g after 14 cycles. So as to examine the effect of surface area on activation two methods were used; sieving and ball milling. AB2 powder was sieved into different particle sizes, namely d(0.5)=37.3, 62.7 and 82.5 μm. It was found that with coarse particles, the activation was relatively fast reaching a capacity of 245 mAh/g after 7-8 cycles. The fast activation of coarse particles was attributed to the ease of particle fragmentation which led to the generation of new fresh surfaces. Electrodes with fine powders (e.g. d(0.5) = 37.3 μm) activates later with a lower saturation capacity. The low saturation capacity was attributed to ineffective utilization of the active powder, i.e. a fraction of powders not in contact with the electrode. Ball milling was more effective in improving the activation behaviour of the alloy. Milling of powders leads initially to a decrease in particle size. But with prolonged milling the particles do agglomerate yielding particle sizes similar to the initial one. A saturation capacity of 330 mAh/g was obtained after 5-6 cycles, which is slightly above the expected capacity of the powder based on the PCI curve measured with gas phase storage. The saturation capacity was less with prolonged milling. For surface modifications, the main method used involved hot alkaline treatment. This included treating the AB2 powder in boiling 6M KOH solution for various periods of time before the electrode was prepared. KOH treatment was effective in all cases, as the electrode was fully active after 1-2 cycles. SEM examination of treated alloy has shown that KOH treatment results in the leaching of powders leaving behind a nickel rich surface layer. The saturation capacity has steadily increased with increased duration of the treatment reaching a maximum value of 390 mAh/g after 80 minute-treatment. This capacity is very much higher than the gas phase storage capacity of the alloy expected at 1 atm hydrogen pressure, i.e. 1.2 wt. % H corresponding to 320 mAh/g. This was attributed to the formation of rough surfaces generated by the treatment, as such surfaces could stabilize hydrogen bubbles whereby allowing an increase in local hydrogen evolution pressure. Another method under investigation in the current study was NiO coating of AB2 powders. For this purpose, using sol-gel approach pristine particles were coated with NiO which upon charging in the electrode would be reduced to Ni, thus aiming for the formation of Ni rich surfaces as in KOH treatment. Two routes were employed; one with the use NiCl2, and the other with the use of NiNO3. Of these, with details used in the present work, only the second route gave a capacity, but overall activation performance in all samples were poor.
Benzer Tezler
- İçme sularından fosfor giderimi için yeni bir yöntem geliştirilmesi
Development of new methods for phosphorus analysis in drinking water
PINAR ÇETİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BİRSEN DEMİRATA ÖZTÜRK
- Yitik alanın peyzajı
Landscape of lost spaces
SEDA KURT ŞENGÜN
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HÜSEYİN LÜTFÜ KAHVECİOĞLU
- Development of rare-earth free permanent magnets
Nadir toprak elementi içermeyen mıknatıs geliştirilmesi
AYŞE MERVE GENÇ ÜNALAN
Doktora
İngilizce
2017
Metalurji MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. YUNUS EREN KALAY
PROF. DR. MAHMUT VEDAT AKDENİZ
- Baryum magnezyum tantalat seramiklerinin dielektrik özelliklerine nadir toprak elementlerinin etkileri
The effects of rare earth elements on dielectric properties of barium magnesium tantalate ceramics
BERHAN ŞENER
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ NURİ SOLAK
- Development of a novel method to obtain complex shaped magnetic structures for additive manufacturing
Eklemeli imalat yöntemiyle kullanılabilecek kompleks formdaki manyetik yapıların elde edilmesi için özgün metod geliştirilmesi
ONUR ZIRHLI
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Metalurji MühendisliğiSabancı ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. İBRAHİM BURÇ MISIRLIOĞLU
DOÇ. DR. OZAN AKDOĞAN