Titanate nanotubes combined with graphene-based materials as a novel anode material for lithium-ion batteries
Lityum-iyon pilleri için özgün anot malzemesi olarak grafen temelli malzemelerle birleştirilmiş titanat nanotupler
- Tez No: 444548
- Danışmanlar: DOÇ. DR. SELMİYE ALKAN GÜRSEL, DOÇ. DR. DR. ALP YÜRÜM
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mühendislik Bilimleri, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2016
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 138
Özet
Lityum-iyon bataryaları iyi performans, yüksek güvenirlilik ve ucuzluk gibi cezbedici özelliklere sahip oldukları için şarj edilebilir enerji depolama cihazları olarak popülerdirler. Grafen içerikli malzemeler, geleneksel lityum-iyon bataryalarının tipik anot malzemelerindeki problemli dendrit büyümesinden dolayı grafen oksit için alternatif malzemeler olarak dikkat çekmektedir. Grafen iyi mekanik özelliklere ve yüksek elektrik iletkenliğine sahiptir. Grafenin fonksiyonelleştirilebilmesi, diğer aktif malzemeler için bir kaynak niteliği taşımasında cezbedici rol oynamaktadır. Teorik kapasitesi 335 mAh/ga kadar çıkabilen, toksik olmayan ve uygun maliyetli titanyum dioksit (TiO2), son yıllarda dünya çapında pek çok araştırmaya konu olmuştur. Zayıf elektrik iletkenliği ve düşük hız kapasitesi gibi olumsuzlukları olsa da bunlar,kompozit malzemelerin sinerjik etkisi ile üstesinden gelinebilecek dezavantajlardır. Titanat nanotüp (TiNT) ler yüksek özgün yüzey alanları ve özel morfolojilerinden ötürü ileriki çalışmalar için gelecek vaadeden malzemelerdir. Bu çalışmada anot malzemesi olarak TiNT&grafen içerikli malzemerlerin eldesi için yeni bir tek-adımlı hidrotermal metod gelirtirilmiştir. Kendiliğinden organizasyonlu TiNT'ler (H2T3O7); grafen oksit (GO), indirgenmiş grafen oksit (rGO), azot katkılandırılmış indirgenmiş grafen oksit (NrGO), polipirol katkılandırılmış indirgenmiş grafen oksit (PPy-GO), grafen nanokatmanlar (GNP), azot katkılandırılmış grafen nanokatmanlar (NGNP) ve amino katkılandırılmış grafen oksit (GO-NH2) gibi çeşitli grafen içerikli malzemelerin yüzeyine dağıtılmıştır. Hazırlanan malzemelerin kimyasal kompozisyonları, elementel özellikleri ve fiziksel morfolojilerinin karakterizasyonu için; X-ışını toz kırınımı (XRD), Raman spektroskobu, Brunauer-Emmett-Teller (BET) ve Taramalı elektron miskrokobu (SEM) materyal karakterizasyon teknikleri kullanılmıştır. Malzemelerin şarj-deşarj ve döngüsel performansları gibi elektrokimyasal karakterizasyonları gerçekleştirilmiştir. Malzeme karakterizasyonları TiNT'lerin, GO içerikli malzemelerin üzerine homojen olarak dağıldığını ve iyi hizalandığını göstermiştir. Malzemeler araşndan en umut verici dördü seçilerek bunlar üzerinde batarya testleri yapılmıştır. Bunlar arasından pH değeri 4 olan GO-NH2&TiNT'ler malzemesi en iyi elektrokimyasal performansı sergilemiştir. Bu malzeme ilk 4 döngüden sonra yanlızca 11% kapasite sönümlemesi ile yüksek bir kapasite muhafazası göstermiştir. Buna ek olarak, 40 döngüden sonra ölçülen tersinebilir kapasite 100 mAh/g olup malzemenin yüksek kapasite kararlılığına sahip olduğu görülmüştür. üretilen lityum-iyon bataryasının şarj ve deşarj çevirim testleri, anot malzemesinin kapasite muhafazası bakımından yüksek karalılığa sahip olduğunu göstermiştir. Bu çalışmada elde edilen bulgular TiNT'lerin bütünlülüğününün korunduğunu ve iyon difüzyon hızının elektron transferi ile iyi uyumlu olduğunu belirtmektedir.
Özet (Çeviri)
Lithium-ion batteries are popular rechargeable energy storage devices due to their attractive properties such as good performance, high reliability, and affordability. Due to the problametic dentride growth present in typical anode materials for conventional lithium-ion batteries, graphene-based materials have gotten a wide attention as alternative materials for graphite oxide. Graphene features a high electrical conductivity and good mechanical properties. Also being able to be functionalized makes them very attractive as support materials for other electrochemically active anode materials. Due to titanium dioxide (TiO2) being a non-toxic and cost-effective material with a capacity theoretically up to 335 mAh/g, it has become a hot research topic worldwide. Nevertheless, a poor electronic conductivity and a low rate capability are the main drawbacks which can be overcome by synergetic effects of composite materials. Titanate nanotubes (TiNTs) are promising materials because of their special morphology and high specific surface area. We introduce a novel one-step hydrothermal method to obtain TiNTs&graphene-based composites as our anode materials. The selforganized TiNTs (H2T3O7) are dispersed on the surface of various types of graphenebased materials, namely graphene oxide (GO), reduced graphene oxide (rGO), nitrogen doped reduced graphene oxide (NrGO), popypyrrole functionalized graphene oxide (PPy-GO), graphene nanoplates (GNP), nitrogen noped graphene nanoplates (NGNP), and amino functionalized graphene oxide (GO-NH2). Material characterization such as X-ray powder diffraction (XRD), Raman spectroscopy, Brunauer-Emmett- Teller (BET), scanning electron microscopy (SEM) are performed for all the as-prepared samples to examine the chemical compositions, elemental properties, and physical morphologies. Electrochemical characterizations such as charge and discharge, cyclic performance are conducted. The material characterization reveals well-aligned TiNTs which are homogeneously dispersed on the surface of the GO-based materials. A battery test is performed on four promising samples. Among all these samples, GO-NH2&TiNTs at pH=4 yields the best electrochemical performance. It exhibits a high capacity retention with only 11% capacity fading after the first 4 cycles. Furthermore, its reversible capacity after 40 cycles is about 100 mAh/g with a high capacity stability. Charging and discharging cycle tests of our lithium-ion batteries reveal the anode materials have good stability in terms of capacity retention. Our findings suggest that the integrity of TiNTs are conserved well and the ion diffusion rate is in good balance with the electron transfer.
Benzer Tezler
- Physical properties of polyvinylidene fluoride nanofibers (PVDF NF) filled withnanoparticle filler for sensor application
Sensör uygulaması için nano dolgularla doldurulmuş polivinilidin florür nanoliflerin (PVDF NS) fiziksel özellikleri
WAFAA ABDALLAH SULIMAN ABKAR
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Fizik ve Fizik MühendisliğiGebze Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FİKRET YILDIZ
- Titanat nanotüplerin nükleer atık yönetiminde kullanılabilirliğinin incelenmesi
Investigation of utilization of titanate nanotubes in nuclear waste management
SİBEL KASAP
Doktora
Türkçe
2011
KimyaEge ÜniversitesiNükleer Bilimler Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSEYİN TEL
PROF. DR. SABRİYE PİŞKİN
- Novel expanded titanate based materials for energy applications
Enerji uygulamaları için genişletilmiş titanat esaslı yeni malzemeler
MİAD YARALİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Mühendislik BilimleriSabancı ÜniversitesiMühendislik Bilimleri Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SELMİYE ALKAN GÜRSEL
DR. ALP YÜRÜM
- Quantitative analysis of carbon nanotube suspensions, synthesis of inorganic nanostructured materials and their characterization
Karbon nanotüp süspansıyonlarının kantitatif analizi, inorganik nanoyapılı malzemelerin üretimi ve karakterizasyonu
ALİ CAN ZAMAN
Doktora
İngilizce
2015
KimyaYıldız Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CENGİZ KAYA
PROF. DR. FİGEN KAYA
- Development of metal & metal oxides decorated graphene-based electrode materials for next generation Li-ion and Li-O2 batteries
Yeni nesil Li-iyon ve Li-O2 pilleri için metal ve metal oksit dekore edilmiş grafen esaslı elektrot malzemelerinin geliştirilmesi
ADNAN TAŞDEMİR
Doktora
İngilizce
2020
Bilim ve TeknolojiSabancı ÜniversitesiPROF. DR. SELMİYE ALKAN GÜRSEL
DR. ÖĞR. ÜYESİ ALP YÜRÜM