Ultrathin titanium dioxide coatings on carbon nanotubes for stable lithium oxygen battery cathodes
Ultra ince titanyum dioksit kaplı dayanıklı lityum oksijen pili katotu
- Tez No: 444662
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. EDA YILMAZ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mühendislik Bilimleri, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2016
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 86
Özet
Fosil yakıtlar, yüksek enerji verimleri, dünyanın her yerine kolayca taşınabilmeleri, oldukça standart kullanım prensipleri ve dünyada oldukça yaygın olmaları gibi çok sayıda önemli özelliklerinden dolayı uzun bir süredir, özellikle ulaşım sektöründe, enerji kaynakları arasında en büyük paya sahiplerdir. Ancak fosil yakıt tüketimi sera etkisi oluşturan zararlı gazların salınımına yol açtığı için küresel ısınmaya neden olmakla beraber rezervleri de tükenmektedir. Oluşması milyonlarca yıl süren bir ürün oldukları göz önünde bulundurulunca, giderek artan enerji talebi durumu daha da kötü bir hale sokmaktadır. Bu nedenden dolayı son yarım yüzyılda yenilenebilir enerji kaynaklarına olan ilgi her geçen gün artmaktadır. Buna rağmen yenilenebilir enerji kaynaklarının düzensiz yapısı onları oldukça kullanışsız bir seçenek haline getirmiştir. Enerji, yenilenebilir enerji kaynaklarından yalnızca belirli zamanlarda veya belirli mekanlardan elde edilebilir, örneğin, güneş enerjisinden bütün gün verim almak mümkün değildir ya da rüzgar türbinleri ancak yeterli rüzgar gücünün olduğu yerlerde verimli olur. Durum böyle olunca, bu değerli enerji kaynaklarından yararlanabilmek için akıllıca bir yaklaşıma ihtiyaç duyulmaktadır. Yenilenebilir enerji kaynaklarından üretilen enerjiyi depolayıp gerektiğinde kullanımlarına olanak sağlayabilecek olan enerji depolama sistemleri, bahsedilen probleme mantıklı bir çözüm sunmaktadırlar. Teorik olarak oldukça yüksek enerji kapasitelerine sahip olan ve ulaşım sektöründe fosil yakıtlara alternatif olarak önemli bir gelecek vaat eden lityum oksijen (Li-O2) pilleri, enerji depolama sistemleri için iyi bir örnektir. Oksijen gazının aktif katot malzemesi olarak kullanılma özelliği Li-O2 pillerini, lityum iyon pillerine kıyasla yaklaşık olarak on kat daha fazla enerji kapasitesine ulaştırmış ve fosil yakıtlarla yarışabilir duruma getirmiştir. Buna rağmen Li-O2 pillerinin ticari bir teknoloji haline gelebilmesi için aşılması gereken bazı problemler vardır. Bu problemler genel olarak katot ile elektrolit arayüzünde meydana gelen istenmeyen yan ürünlerin oluşumuyla alakalıdır. Bu yan ürünler katot yüzeyinde birikip katotun elektriksel iletkenliğini düşürerek pil çevrimleri süresince kapasiteyi büyük ölçüde sürdürmektedirler. Özellikle karbon bazlı malzemeler, büyük yüzey alanı, düşük ağırlık, yüksek elektriksel iletkenlik ve iyi oksijen indirgenme reaksiyonu aktivitesi gibi Li-O2 pil katotları için oldukça faydalı özellikler barındırmalarına rağmen, pil çevrimlerine karşı dayanıklı değillerdir. Bu tez çalışmasının motivasyonu karbon nanotüplerin (CNT) Li-O2 pillerinde dayanıklılığını arttırıp yukarıda bahsedilen faydalı özelliklerinden yararlanılabilir hale getirmektir. Bunu yapabilmek için CNT'lerin yüzeyi ultra ince ve düzenli bir titanyum dioksit (TiO2) tabakasıyla, atomik tabaka kaplama (ALD) metodu kullanarak kaplanmıştır. TiO2 kaplanmadan önce, düzenli bir kaplama elde edebilmek için, CNT'lerin yüzeylerine etkili bir yüzey modifikasyonu işlemi uygulanmıştır. Kaplama özelliklerinin incelenmesi amacıyla geçirmeli elektron mikroskobu (TEM) ve X-ışını difraksiyonu (XRD) analizleri yapılmıştır. TiO2 kaplı CNT katotlarının dayanıklılığını kanıtlayan, miktarı azalan yan ürünlerin incelenmesi için taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS) analizleri yapılmıştır. TiO2 koruyucu tabakası katot degradasyonunu azaltarak yan ürün oluşumunu büyük ölçüde engellemiş ve saf CNT katotuyla karşılaştırıldığında tam kapasite pil çevrimlerinde üstün bir kapasite korunumu göstermiştir.
Özet (Çeviri)
Fossil fuels hold the biggest share in energy sources for a very long time, especially in transportation, because of their appealing properties like very high energy efficiency, easy transport to any place in the world, very straightforward usage principle and they used to be quite abundant. However fossil fuel consumption results into release of harmful greenhouse gasses that causes global warming. On the other hand fossil fuels are not very abundant anymore and as a product that is formed in millions of years, the increasing energy demand worsens the situation. That is why renewable energy sources are more and more pronounced each day in the last half century. Nonetheless, irregular nature of the renewable energy sources makes them highly unpractical. Energy can only be harvested from renewable energy sources in specific time or specific locations, for instance, it is not possible to harvest energy from sun all day long or wind turbines can only be efficient in the places that there is sufficient wind power. This being the case, a clever approach is needed in order to be able to benefit from such convenient energy sources. Energy storage systems are the saviour in this picture since they can be used to store the energy that is produced from renewable energy sources and available when needed. For instance, lithium oxygen (Li-O2) batteries are a very promising candidates for a replacement of fossil fuels in transportation due to their very high theoretical gravimetric energy density. Oxygen is used as active cathode material in Li-O2 batteries, which enables them to have approximately ten times more battery capacity than state of art lithium ion batteries and ability to compete with fossil fuels. However there are some challenges to be addressed for Li-O2 batteries to become a commercial technology. These challenges are mainly centered around unwanted side product formations on cathode-electrolyte interface. These side products are accumulating on the cathode surface upon battery cycling and result into drastic capacity fading. Especially carbon based materials are not stable against battery cycling in Li-O2 batteries even tough they have quite profitable features as a cathode material for Li-O2 batteries, such as; high surface area, low weight, high electrical conductivity, good oxygen reduction reaction activity etc. In this thesis study, the motivation is to increase the stability of carbon nanotubes (CNTs) while benefiting from their aforementioned advantages in Li-O2 batteries. In order to achieve this, an ultrathin and uniform titanium dioxide (TiO2) layer is coated on CNT surface by atomic layer deposition method. Prior to TiO2 coating an effective functionalization method is introduced to CNT surfaces to facilitate a uniform coating. Transmission electron microscopy imaging and x-ray diffractometer analysis are performed to observe coating properties. X- ray photoelectron spectroscopy analysis and scanning electron microscopy imaging show the subsided side reactions, proving the stability of the TiO2 coated CNT cathode. TiO2 protective layer significantly prevents side product formation due to reduced cathode degradation and shows superior capacity retention compared to pristine CNT cathode upon full capacity battery cycling.
Benzer Tezler
- Titanyum nanoparçacık ve nanotellerin ergime sürecindeki davranışlarının atomik düzeyde incelenmesi
An investigation at atomic level of behavior in melting process of titanium nanoparticles and nanowires
OZAN ARTUN
Yüksek Lisans
Türkçe
2010
Fizik ve Fizik MühendisliğiTrakya ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SERAP ŞENTÜRK DALGIÇ
- Functional metal oxide surfaces: Photocatalytic, self-cleaning andmicro-/nanostructuring applications
Başlık çevirisi yok
SALİH VEZİROGLU
Doktora
İngilizce
2021
Metalurji MühendisliğiChristian-Albrechts-Universität zu KielPROF. DR. FRANZ FAUPEL
PROF. DR. LORENZ KİENLE
PROF. DR. JOST ADAM
- Theoretical investigation of structural, vibrational, electronic, and elastic properties of ultra-thin anisotropic materials
Ultra-ince anizotropik malzemelerin yapısal, titreşimsel, elektronik ve elastik özelliklerinin teorik incelenmesi
KADİR CAN DOĞAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüFizik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET YAĞMURCUKARDEŞ
DOÇ. DR. SERKAN ATEŞ
- Metal oksit ve metal nitrür içeren ultra ince TiNxOy filmlerin x-ışını fotoelektron spektroskopi (XPS) çalışması
X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) studies ultra thin TiNxOy films containing metal oxide and metal nitride
MELEK TÜRKSOY
Yüksek Lisans
Türkçe
2010
Fizik ve Fizik MühendisliğiGebze Yüksek Teknoloji EnstitüsüFizik Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. OSMAN ÖZTÜRK
- Ultrathin 2D α-MoO3/Ir/Si schottky heterojunction devices: exploiting plasmonic hot carriers for self-powered UV photodetection with dual photoresponse behavior
Ultra ince 2D α-MoO3/Ir/Si schottky heteroeklem cihazları: çift fotoyanıt davranışı ile kendiliğinden güç sağlayan UV fotoalgılama için plazmonik sıcak taşıyıcılardan yararlanma
MOHAMED ALI BASYOONI MOHAMED MOHAMED ALI BASYOONI MOHAMED
Doktora
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSelçuk ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞULE ATEŞ
DOÇ. DR. YASİN RAMAZAN EKER