Geri Dön

Investigation of the effect of porosity in SnO2 nanofibers as anode materials for sodium-ion batteries

Sodyum-iyon pilleri için SnO2 nanolif anot malzemesinde porozitenin etkisinin incelenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 467063
  2. Yazar: ERÇİN ÇAĞAN DURAN
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. HÜSEYİN KIZIL
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Enerji, Mühendislik Bilimleri, Energy, Engineering Sciences
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2017
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 81

Özet

Son yıllarda, yüksek enerji yoğunluğu ve uzun ömürlü olmaları nedeniyle lityum-iyon piller gündelik hayatta sıklıkla kullanılmaktadır. Özellikle taşınabilir elektronik cihazlarda her geçen gün daha yüksek enerji depolama gereksinimi duyulmakta ve bu durum anot malzemesi geliştirilmesini zorunlu kılmaktadır. Ancak yenilenebilir enerji kaynaklarından elde edilen enerjinin depolanmasında kullanılan yüksek hacimli enerji depolama sistemlerinde lityum-iyon pillerin kullanılması maliyet açısından sorun oluşturmaktadır. Bu sistemlerde enerji yoğunluğundan ziyade kullanılan malzemelerin ucuz olması ön plana çıkmaktadır. Bu nedenle lityum-iyon pillere alternatif olabilicek bir pil olarak sodyum-iyon piller konusunda araştırmalar devam etmektedir. Sodyum, periyodik tabloda lityumun hemen altındaki element olup, lityumla elektrokimyasal olarak benzer özellik göstermektedir. Ancak en büyük dezavantajı iyon çapının lityuma göre büyük olmasıdır. Bu durum lityum-iyon pillerde sıkça kullanılan grafit anodun sodyum-iyon pillerde kullanılamamasını doğurmaktadır. Bu nedenle sodyum-iyon pillerde kullanılmak üzere yeni anot malzemeleri geliştirmek oldukça önem arz etmektedir. Geliştirilecek sodyum-iyon piller, lityum-iyon pillere göre daha düşük enerji yoğunluğunda olsa bile, kabul edilebilecek bir performans gösterebildiği takdirde yüksek hacimli enerji depolama sistemlerinde rahatlıkla kullanılabilecektir. Çünkü, sodyum kolay bulunabilir ve ucuz bir elementtir ve bu nedenle bahsi geçen sistemlerdeki kapasiteyi elde etmek için kullanılacak sodyum miktarı istenildiği kadar arttırılabilir. Lityum ve sodyum-iyon pillerinde ortak sorun çevrimsel şarj-deşarj sırasında anot malzemesinin genişlemesi ve daralmasıdır. Bu genişleme sodyum iyon çapının büyük olması nedeniyle, sodyum-iyon pillerinde %400'lere ulaşmaktadır. Sodyum iyonunun deşarj sırasında yapıyı terketmesiyle birlikte, anot malzemesi eski formuna geri dönecektir. Ancak bu genişleme ve daralma, mekanik bir gerinim oluşturarak yapının kırılmasına yani pulverizasyona yol açacaktır. Pulverizasyon, aktif malzemenin kırılarak iletkenlik sağlayıcıdan uzaklaşması ve bu nedenle sodyum iyonlarını depolayamaması demektir. Bu da kapasitenin ciddi manada düşüşü ile sonuçlanır. Aynı zamanda katı elektrolit ara yüzeyinin stabil olmaması iyon transferini zorlaştırarak kapasiteyi kötü yönde etkilemektedir. Bu problemleri önleyebilmek amacıyla genellikle nano-boyutta malzemeler tasarlanmaktadır. Literatür incelendiğinde, nano üretim teknikleri kullanılarak üretilen bu nano malzemeler iyi elektrokimyasal performans göstermektedir. Aynı zamanda lityum-iyon pillerde anot malzemesinin boşluklu hale getirilmesi hacim genişlemesi sonucu oluşan pulverizasyon problemini hafifletmektedir. Hali hazırda lityum-iyon piller için denenmiş ve iyi kapasite değerlerine ulaşılan anot malzemeleri ve tasarımları sodyum-iyon pillere uyarlanmakta ve bu sayede iyi bir performans yakalanmaya çalışılmaktadır. Bu çalışmada sodyum-iyon pillerde kullanılmak üzere anot malzemesi geliştirilmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla, sodyum depolama kapasitesi yüksek olan kalay oksit malzemesiyle çalışılmıştır. Kalay oksit, sodyum depolama özelliğinin yüksek olmasının yanı sıra, ucuz olması, kolay bulunması ve çevre dostu olması nedenleriyle öne çıkmaktadır. Ancak yukarıda da bahsedildiği gibi bu malzeme çevrimsel şarj-deşarj esnasında, oldukça yüksek oranda hacim genişlemesine maruz kalmaktadır. Bu nedenle başlangıç kapasitesinin oldukça yüksek olmasına rağmen, çevrimsel olarak bu kapasiteyi sürdürememektedir. Bu çalışmada, boşluklu yapıda kalay oksit nanolifleri ve nanotüpleri geliştirilerek sodyum-iyon pillerinde anot malzemesi olarak denenmiştir. Bahsi geçen yapılara ulaşabilmek için ucuz ve basit bir üretim yöntemi olan elektro eğirme kullanılmıştır. Bu yöntemde kullanılan öncü çözeltiye mineral yağ eklenmesiyle son yapının boşluklu olması sağlanmıştır. Aynı zamanda mineral yağın yüksek miktarda eklenmesi yapıyı nanoliften nanotüpe götürmüştür. Çalışmada mineral yağ eklenmeyen nanolifer (en az boşluku yapı, NF-0) ve kalay klorür: mineral yağ oranı 3:1 (NF-25), 1:1 (NF-50) ve 3:7 (NT-70) olan nanolifler ve nanotüpler üretilmiştir. Elde edilen malzemeler faz ve kristal yapı analizi için XRD, nano-yapıların yüzey morfolojisi tayini için taramalı elektron mikroskobu incelemeleri, elementel analiz için EDX incelemesi ve yüzey alanı ölçümleri için BET analizinden faydalanılmıştır. XRD analizinde, dört numune için de kristalin SnO2 fazı bulunmuştur. EDX incelemelerinde de yalnızca kalay ve oksijen pikleri elde edilmiştir. SEM analizi, dört farklı yapının yüzey özellikleri hakkında bilgi vermiş ve yapıdaki nano-boşluk miktarlarının değiştiğini göstermiştir. BET analizleri ile yüzey alanı ölçümleri, malzemelerdeki boşluklu yapı hakkında bilgi vermiştir. Yapısal karakterizasyondan sonra, bahsi geçen malzemeler anot olarak kullanılmış ve sodyum-iyon piller kapatılmıştır. Pillerde katot olarak metalik sodyum kullanılmıştır. Bu dört numune elektrokimyasal testler ile kıyaslanmış aynı zamanda kalay oksit nanopartikülleri de bu kıyaslamaya dahil edilmiştir. Elektrokimyasal test olarak çevrimsel şarj-deşarj testi 40 çevrim boyunca 50 mAg-1 akım yoğunluğunda 0.01 ve 3 Volt arasında yapılmıştır. Çevrim testinden elde edilen sonuç incelendiğinde, üretilen dört numune de kalay oksit nanopartiküllerinden daha iyi kapasite koruması göstermiştir. Dört numune arasında en iyi çevrim performansını 1:1 orana sahip NF-50 nanolif numunesi elde etmiştir. 3:1 oranındaki NF-25 nanolifler ise en yüksek başlangıç kapasite değerleri ile ön plana çıkmaktadır. 3:7 orana sahip NT-70 nanotüpler ise mineral yağ kullanılmadan üretilen NF-0 nanoliflerinden daha iyi sonuç vermesine karşın, boşluklu yapıdaki nanoliflerden elektrokimyasal performans olarak geri kalmıştır. Bunu nedeni olarak oldukça yüksek yüzey alanının pulverizasyon riskini arttırdığı ve bu nedenle kapasitenin hızlı düştüğü belirlenmiştir. Çevrim testinden farklı olarak, çevrimsel olarak artan akım yoğunluklarında anot malzemeleri test edilmiş ve yüksek akım yoğunluklarındaki performansları incelenmiştir. Sonuç olarak boşluklu yapının, kalay oksit nanolif ve nanotüplerinin elektrokimyasal performansını arttırdığı gözlenmiştir. Ancak, boşluk miktarının daha fazla arttırılmasının elektrokimyasal açıdan daha fazla bir performans iyileştirmesine olanak sağlamadığı gözlenmiştir. Aynı zamanda çok yüksek yüzey alanının da iyi elektrokimyasal performans göstermemesi, bir optimizasyon yapılmasının gerekli olduğunu ortaya çıkarmıştır. Bu bağlamda yapının belirli bir miktarda boşluğa sahip olması tercih edilmeli ancak yüksek boşluklu yapının mekanik bütünlüğü etkilememesi için yüzey alanının çok yüksek olmamasına dikkat edilmelidir. Yine de basit ve ucuz bir yaklaşım ile kalay oksit nanoliflerini ve nanotüplerini boşluklu yapıda üretmek, sodyum-iyon pilleri için anot malzemesi olarak kullanılmasında elektrokimyasal açıdan bir performansı artışı sağlamıştır. Bu çalışmanın devamında, başlangıç performansı iyi olan NF-25 ve çevrim performansı iyi olan NF-50 numunelerinin arasında bir kalay klorür – mineral yağ oranına sahip anot üretilerek elektrokimyasal teste tabi tutulabilir. Bu sayede en iyi sonuç veren iki anodun bir optimizasyonu sağlanabilir. Ayrıca, anot malzemelerinden elde edilen elektrokimyasal performans, nanolif ve nanotüplerin ince bir karbon ya da grafen tabakası kaplanması ile geliştirilebilir. Kimyasal buhar biriktirme ya da hidrotermal yöntemlerle nanolif ve nanotüplerin yüzeyine kaplanabilen bu tabakalar, çevrimsel şarj-deşarj sırasında oluşan ve büyüyen katı elektrolit arayüzeyi (SEI) filmini stabil hale getirerek iyon transferinin zorlaşmasını engelleyeci bir rol oynayacaklardır. Aynı zamanda anodun elektriksel iletkenliğinin de artmasını sağlayarak pilin kapasitesine ve kapasite korunumuna iyi yönde bir etkisi olacaktır. Bu çalışmanın, büyük hacimli enerji depolama sistemleri için sodyum-iyon pil geliştirilmesi kapsamında literatüre bir katkı sağlayacağı umulmaktadır.

Özet (Çeviri)

In recent years, rechargeable lithium-ion batteries became the solution for energy storage due to their high energy density and good cycle life. However, low abundance and high price of lithium are concerns for grid-scale energy storage systems. For these reasons, sodium-ion batteries have emerged as a promising alternative because of sodium's very high abundance, low price and similar electrochemical behaviour to lithium. However, most of the anode materials currently used for lithium-ion batteries cannot be used in sodium-ion batteries due to large ionic radius of sodium ions. Therefore, it is crucial to explore novel materials and designs for use as anodes in sodium-ion batteries. Generally, transition metal oxides have very high sodium storage capacities and most of them are environmentally friendly. Among different type of metal oxides, tin dioxide (SnO2) has gained great attention for its high sodium storage capacity, high availability and low toxicity. However, their huge volumetric expansion and shrinkage upon cycling and inevitable pulverization of the material inhibit their electrochemical performance. In this study, we focused on fabricating porously structured SnO2 nanofibers and nanotubes for their use as anodes in sodium-ion batteries. We introduced porosity to the structure so that material can expand into the pores upon cycling. Generally, creating nano-structures is beneficial for electrochemical performance of electrodes in rechargeable batteries. Also nanofibers and nanotubes stand out because of their additional mechanical stability when compared to nanoparticles. We used facile electrospinning to produce the samples. Different amounts of mineral oil were added to precursor solutions to get porous structure and also to observe nanotube formation. Porosity in the structure provided enough room for materail to expand upon sodiation without generating high mechanical strain. Hence, electrochemical performance was greatly improved. However, further increase in the porosity did not ameliorate the electrochemical performance more, meaning benefits of porosity is not infinite. On the other hand, nanotubes performed better than nanoparticles but fell short of nanofibers due to their very high surface area and thus high vulnerability to pulverization. Nevertheless, introducing porosity in the structure proved to be simple and cost-effective way to improve electrochemical performance of the anodes.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    810859

    Mathematical modeling and simulation of microfluidic flow in gas sensors

    Gaz sensörlerinde mikroakışın matematiksel modellenmesi ve simülasyonu

    HALE YURTTUTAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Kimya MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. YUSUF ULUDAĞ

    PROF. DR. GÜRKAN KARAKAŞ

  2. Tez No

    238342

    Afyonkarahisar'da yapıtaşı olarak kullanılan tüflerdeki poroziteye bağlı su içeriğinin fizikomekanik özelliklere etkisinin belirlenmesi

    Investigation of the effect on phycico-mechanic characteristics of the water content dependent upon porosity in the tuffs used as a building stone in Afyonkarahisar

    AYŞE ERGÜL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2009

    Maden Mühendisliği ve MadencilikAfyon Kocatepe Üniversitesi

    Maden Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. MUSTAFA YAVUZ ÇELİK

  3. Tez No

    821763

    Eklemeli imalat ile üretilen parçaların imalat parametrelerinin geometrik toleranslara etkisinin araştırılması

    Investigation of the effect of manufacturing parameters on geometric tolerances of parts produced by additive manufacturing

    YUSUF SİYAMBAŞ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Makine MühendisliğiGazi Üniversitesi

    İmalat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. YAKUP TURGUT

  4. Tez No

    485294

    Uygulanan farklı hızlandırma voltajı türlerinin KA-FBB yöntemi ile üretilen Ti ve TiAlN kaplamaların korozyon davranışları üzerindeki etkisinin incelenmesi

    Investigation of the effect of different bias modes applications on the corrosion behavior of Ti and TiAlN coatings produced by CA-PVD technique

    DİLAN ER

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSTAFA KAMİL ÜRGEN

  5. Tez No

    543115

    Hacim yanma senteziyle üretilen bazı Fe3Al metallerarası bileşik matrisli kompozit malzemelerin gözeneklilik ve mikrosertlik özelliklerinin incelenmesi

    Investigation of porosity and microhardness properties of some Fe3Al intermetallic matrix composite materials produced by volume combustion synthesis

    BAHRİ ÇAKMAK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Metalurji MühendisliğiEskişehir Osmangazi Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ NEŞE ÖZTÜRK KÖRPE

Geri Dön