Development of magnesium based negative electrode materials for nickel metal hydride batteries
Nikel metal hidrür pilleri için magnezyum esaslı negatif elektrot malzemelerinin geliştirilmesi
- Tez No: 474998
- Danışmanlar: PROF. DR. TAYFUR ÖZTÜRK
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Enerji, Energy
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- 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: 93
Özet
Nikel metal hidrür (NiMH) pili negatif elektrotları genellikle nadir toprak elementi esaslı alaşımlı malzemelerdir. Bu alaşımlar 350 mAh/g civarında bir deşarj kapasitesi sağlayabilirler. Ancak artan enerji ihtiyacı ile birlikte yeni elektrot malzemelerinin geliştirilmesi gündeme gelmiştir. Yeni elektrot malzemeleri ağırlıkça ve maliyetçe düşük ve kazançlı olmalıdır. Birçok alternatif malzeme grubu içerisinden magnezyum esaslı alaşımlar bu açıdan oldukça dikkat çekici hale gelmiştir. Bu durumun temel sebebi Mg esaslı Mg2Ni gibi alaşımların oda sıcaklığında dönüşümlü olarak hidrürlendikleri takdirde oldukça yüksek deşarj kapasitesine (1041 mAh/g) sahip olmalarıdır. Mg esaslı alaşımların kullanımına engel teşkil eden iki temel sorun mevcuttur. Bu sorunlardan ilki Mg ve Mg esaslı alaşım hidrürlerinin yüksek kararlılığıdır. Yüksek hidrür kararlılığı nedeniyle dehidrürlenme reaksiyonu oldukça yüksek sıcaklıklarda gerçekleşebilmektedir. Kararlılığın azaltılması nano yapılandırma ve öğütme gibi yöntemlerle azaltılabilmektedir. Bu açıdan Mg50Ni50 alaşım kompozisyonu oldukça dikkat çekicidir. Bir diğer sorun ise Mg esaslı alaşımların bazik ortamdaki düşük korozyon direncidir. Mg bakımından zengin alaşımlar KOH elektrolit ortamında korozyona uğrayarak deşarj kapasitesinin hızlıca düşmesine neden olurlar. Mevcut çalışmada Mg50Ni50 kompozisyonu kullanılarak NiMH pilleri için geliştirilmiş üstün elektrokimyasal preformansa sahip ve dayanıklı bir negatif elektrot malzemesi üretilmesi amaçlanmıştır. Bu çalışmada Mg50Ni50 alaşımı elemental tozların değirmende öğütülmesi yöntemiyle üretilmiştir. Bu amaçla toz haldeki Mg (Alfa Aesar, 99.8%) ve Ni (Alfa Aesar, 99.9%) atomik olarak 1:1 oranında karıştırılmış ve 20 saat süreyle öğütülmüştür. Elde edilen ürün amorf Mg50Ni50 ve kristalin Mg2Ni karışımı olmuştur. Öğütülen tozlardan hazırlanan elektrot elektrokimyasal yöntemlerle test edilmiş ve ilk döngüde 329 mAh/g deşarj kapasitesi elde edilmiştir. Ancak korozyon nedeniyle kapasitede hızlı bir düşüş gözlemlenmiş, deşarj kapasitesi 20 döngü sonrasında 50 mAh/g altında bir seviyeye gerilemiştir. Korozyonun önüne geçebilmek için H+ geçirebilen ama OH- geçirmeyen bir kaplama tabakası oluşturma hedeflenmiştir. Oldukça bilindik bir hidrojen iletkeni olan nafion bu amaçla kullanılmıştır. Nafion kaplamanın performans üzerindeki etkilerini test etmek amacıyla aynı yöntemle hazırlanan elektrotlar test öncesinde daldırarak kaplama yöntemiyle nafion ile kaplanmıştır. Test edilen elektrotta deşarj kapasitesinin yaklaşık %51 oranında arttığı gözlemlenmiştir. Ancak, kaplamasız elektrottaki kadar ciddi olmasa da kapasite kaybı halen devam etmektedir. 20 döngü sonrasında kapasite 338 mAh/g değerine, başlangıç kapasitesinin %66'sı seviyesine gerilemiştir. Nafion kaplamanın kapasite ve dayanıklılık üzerine etkilerinin araştırılabilmesi açısından aynı kaplama işlemi A2B7 alaşımında gerçekleştirilmiştir. Elde edilen sonuçlar alaşımlarda gözelenen deşarj kapasitesinin artışının temeli açısından tartışılmıştır.
Özet (Çeviri)
Negative electrode materials of the nickel metal hydride (NiMH) batteries generally based on AB5 or similar compounds that make use of rare earth elements. The high cost of these elements makes it necessary to look for other alternatives that are more readily available and of low cost. It is also desirable to aim for materials that would have discharge capacity higher than roughly 350 mAh/g, which is typical of AB5 compounds. Magnesium-based hydrogen storage alloys have attracted considerable attention as an alternative due to their high hydrogen storage capacities. For instance, if Mg alloyed with nickel in the form of Mg2Ni alloy could be hydrided and dehydrided reversibly at room temperature, could yield discharge capacity in excess of 1000 mAh/g. Currently, there are two difficulties with Mg-based alloys. The first is their high stability where reversible hydrogenation occurs at temperatures well above room temperature. Nanostructuring via ball milling or similar methods yielded alloys of low stability. The Mg50Ni50 composition is of particular interest in this respect. The second difficulty is the durability of Mg alloys in the alkaline environment. Mg-rich alloys are subject to corrosion in alkaline environments resulting in a fast decay of discharge capacity. The current work deals with Mg50Ni50 composition and aims to develop an alloy with an improved electrochemical performance and durability as a negative electrode material. Mg alloy in this study was synthesized via ball milling of elemental powders; Mg and Ni mixed in equal atomic proportions. This resulted in a mixed structure composed of amorphous Mg50Ni50 and nanocrystalline Mg2Ni. The powder synthesized yielded a discharge capacity of 329 mAh/g in the first cycle; but, was subject to a fast capacity decay down to 50 mAh/g after 20 cycles, caused probably by corrosion of the active metal in an alkaline environment. So as to obtain a more durable active material, an attempt was made to protect the electrode by surface coating. The electrode was surface coated with nafion, which is known to be permeable H+ but repulsive to OH-. This not only reduced the degradation rate of the electrode but also resulted in a significant increase in the discharge capacity of the Mg50Ni50. With a 2.80 µm thick nafion coating, the electrode yielded a discharge capacity of 489 mAh/g, an increase by a factor 1.5. This capacity was reduced to 338 mAh/g after 20 cycles. The beneficial effect of nafion coating was further checked with A2B7 alloy, where Mg content is low and therefore of better durability. This has shown that the capacity increase does occur also with A2B7 alloy. The results are discussed with regard to the possible origin of capacity increase in both alloys.
Benzer Tezler
- Bor minerallerinin elektrostatik ve elektrokinetik özellikleri
Electrostatic and electrokinetic properties of boron minerals
EMRE YAŞAR
Yüksek Lisans
Türkçe
1994
Maden Mühendisliği ve Madencilikİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. YALÇIN KAYTAZ
- Magnezyum esaslı karbon nanotüp ve seryum takviyeli nanokompozit malzeme geliştirilmesi ve özelliklerinin araştırılması
Development of Mg based carbon nanotubes and cerium reinforced nano composites and research of their properties
FATMA NAZLI SARI
Doktora
Türkçe
2015
Makine MühendisliğiErciyes ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET BAKİ KARAMIŞ
- Magnezyum florür katkılı sığır hidroksiapatit esaslı kompozit biyomalzeme üretim ve karakterizasyonu
Production and characterization of magnesium fluoride doped bovine hydroxyapetite composites
NİGAR DEMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EYÜP SABRİ KAYALI
- Development of antibacterial polymer based nanocomposite materials
Antibakteriyel polimer esaslı nanokompozit malzemelerin geliştirilmesi
EZGİ ABATAY
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Biyoteknolojiİzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüBiyoteknoloji Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ALPER ARSLANOĞLU
PROF. DR. METİN TANOĞLU
- Development of antibacterial coatings on titanium based biomaterials
Titanyum esaslı biyomalzemeler üzerinde antibakteriyel kaplamalar geliştirilmesi
DİLEK TEKER AYDOĞAN
Doktora
İngilizce
2022
Biyomühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSEYİN ÇİMENOĞLU