Environmentally friendly components for energy storage devices

Enerji depolama cihazlarında çevre dostu bileşenlerin kullanımı

PDF İndir

Tez No: 599530
Yazar: ELENA STOJANOVSKA
Danışmanlar: DOÇ. DR. ALİ KILIÇ
Tez Türü: Doktora
Konular: Bilim ve Teknoloji, Enerji, Polimer Bilim ve Teknolojisi, Science and Technology, Energy, Polymer Science and Technology
Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
Yıl: 2019
Dil: İngilizce
Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
Ana Bilim Dalı: Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
Bilim Dalı: Polimer Bilim ve Teknolojisi Bilim Dalı
Sayfa Sayısı: 218

Özet

Nanolifler; çapları bir mikrometrenin altında ve yüksek en-boy oranına sahip lifli yapılarda 1D nanomalzemelerdir. Nanoliflerin nano boyuttaki ağsı yapısı yüksek yüzey alanı oluşturmakla birlikte kullanılan malzemeye göre farklılık gösteren birçok önemli özellik elde edilmektedir. Bu üstün özellikler sayesinde nanolifler filtrasyon, fonksiyonel tekstiller, doku mühendisliği ve enerji depolama gibi birçok uygulama alanında kullanılabilmektedir. Özellikle enerji depolama alanında nanolifler elektrot ve/veya separatör olarak tüm temel elemanlarda kullanılabilmektedir. Nanolif elektrotlar sahip oldukları üstün özellikleriyle enerji depolama cihazlarında birçok yönden performansın artmasını sağlayabilmektedir. Öncelikle, nanolifler yüksek elektrik iletkenliği ve elektrokimyasal aktivite sağlayan bir veya birden fazla malzemenin bir araya gelmesiyle oluşturularak, enerji depolamada yüksek kapasite ve stabil çevrim ömrü sağlayabilmektedir. Ayrıca nanolifler gözenekli, kanallı morfolojik yapıda veya küçük partikülleri lif üzerinde taşıyabilecek şekilde şekillendirilebilirler. Nanolifli yüzeylerin ağsı yapısı sayesinde esneklik kazanarak bağımsız uygulamalar için uygun hale getirilebilir. Buna ek olarak, nanolifli yüzeylerin yüksek gözenekliliği, farklı kalınlıklardaki elektrotlarda elektrolitin tüm yüzey boyunca daha kolay emilmesini sağlayarak yüksek aktif malzeme içeren kalın elektrotların üretilebilmesine olanak vermektedir. Enerji depolamada kalın ve destek malzemesiz (iletken malzeme, yapıştırıcı…) elektrotlar hem üretim maliyetini azalttığı hem de enerji depolama cihazlarında hacimsel enerji kapasite değerini arttırdığı için endüstriyel açıdan oldukça avantajlıdırlar. Bu tür yapıştırıcı veya aktif karbon katkı malzemesi kullanılmadan elde edilen nano lifli elektrotlar, pillerde ya da süper kapasitörlerde geleneksel film yapıdaki elektrotların yerine kullanılabilecek gelecek vadeden önemli malzemelerdir. Ayrıca, kapasitif ve redoks özellik gösteren malzemelerden yapılmış elektrotların bir arada kullanılmasıyla birleşik elektrokimyasal performansa sahip hibrit sistemlerde elde edilebilir. Bu kapsamda, bu tezde pillerde ve süperkapasitörlerde kullanılacak nanolif yapılı elektrotlar geliştirilmektedir. Yapılan çalışma temel olarak iki kısıma ayrılmaktadır; polimer/parçacıklı nanolifler ve kalın yapıda karbon nanolif yüzeylerden, yüksek gözenekli elektrotlar geliştirilmesi ile pillerde ve süperkapasitörlerde elektrot olarak kullanılmasıdır. İlk iki bölümde, çevre dostu malzemelerden yararlanılarak üretilmiş elektrotların pillerde ve polimer/parçacık nanoliflerin süperkapastörlerdeki uygulamaları incelenmiştir. İkinci bölümde ise yüksek aktif malzeme içeren nanolif elektrotların ticari miktarlarda eldesi için endüstriyel düzeyde nanolif üretim teknikleri araştırılmıştır. Son bölümde ise farklı yapıdaki kompozit CNF (karbon nanolif) elektrotların çeşitli hücre konfigürasyonlarındaki süperkapasitörlerde potansiyel uygulamaları incelenmiştir. Yapılan çalışmada nanolifli malzemeleri ve özelliklerini geliştirmek için elektrolif çekim ve çözeltiden üfleme nanolif üretim yöntemleri kullanılmış ve karşılaştırılmıştır. Bu iki yöntem arasından çözeltiden üfleme nanolif üretim yöntemi ve elektroüretimden farklı olarak yüksek voltajlı bir güç kaynağına ihtiyaç duyulmadan güvenli kullanımı ve yüksek üretim hızı nedeniyle tercih edilmiştir. Çözeltiden üfleme nanolif üretim yöntemi, enerji depolama araçlarının endüstriyel uygulamaları için yüksek ölçekte üretim ve kalın nanolif katmanları eldesi gerektiğinden özellikle incelenmiştir. Malzemeler açısından ele alındığında, tezin ilk bölümünde karbon öncü maddesi olarak kullanılabilecek çevre dostu ve tekrar kullanılabilir yan ürün veya atık ürünler ele alınmıştır. İkinci bölümde ise katkı malzemelerinin elektrokimyasal aktif malzeme olarak kullanılmasından bahsedilmektedir. Geliştirilen tüm malzemelerin yapısal farklılıklarının derinlemesine araştırılması ve anlaşılması için, mikroskobik analiz, Fourier Transform Infrared (FTIR), Raman Spektroskopisi, X-ışını difraksiyonu (XRD) ve Brunauer-Emmett-Teller (BET) yüzey alanı analizi yapılmıştır. Diğer taraftan, nanolif yapıdaki elektrotların elektrokimyasal performanslarının ölçümü için çevrimsel voltametri (CV), elektrokimyasal impedans spektroskopisi (EIS) ve/veya galvanostatik şarj/deşarj testleri uygulanmıştır. Tezin ilk bölümü gözenekli ve lifli yapıdaki elektrotların çevre dostu malzemelerden üretilmesi açıklanmaktadır. Bu amaçla, aktive edilmiş ve mezogözenekli karbon nanolifler (CNF) üretilmiştir. Lignin doğada bol miktarda bulunması ve aromatik yapısından ötürü öncül karbon malzemesi olarak kullanılmaktadır. Lifler lignin/polivinil alkol polimer karışımından elektroüretim yöntemiyle elde edilmiştir. Potasyum hidroksit (KOH), gözenekli yapının oluşmasını sağlayan aktive edici malzeme olarak kullanılmıştır. Lif üretiminden önce ve karbonizasyon işleminden sonra in-situ uygulama ile aktive edici malzemenin gözenekli yapı oluşmasındaki rolü elde edilen iki farklı CNF ile incelenmiştir. SEM ve BET sonuçları göstermiştir ki; karbonizasyon işlemi sonucunda aktive edilen CNF'lar aktive edilmemiş CNF'lere göre daha gelişmiş mikrogözenekli süngerimsi yapı göstermektedirler. Öte yandan, aktifleştirme ajanının in-situ yöntemiyle eklenmesi, daha düzgün ve mesogözenekli lifli ağı destekleyen ve elektrotun elektrokimyasal performansını arttıran daha düzenli karbonlu yapının oluşumuna yardımcı olmuştur. FTIR sonuçlarında iyot, aromatik yapının oluşumunu hızlandıran dehidrasyon ajanı olarak görev yaptığı görülmüştür. Sonuç olarak, mikro ve meso gözenekli yapıya sahip karbon nanolifler doğal ligninden başarılı bir şekilde elde edilmiştir. Ayrıca, geliştirilen CNF, lityum ve sodyum iyon pillerde yapıştırıcı ve katkı malzemesi kullanılmadan nanolif formda anot olarak kullanılmış ve bu pillerin farklı parametrelerin uygulanmasıyla değişen pil kapasitesi ve çevrim stabilitesi test edilmiştir. İki farklı gözenekli yapıdaki CNF arasından, mikro gözenekli olan yapı en yüksek kapasite değeri göstermiştir. Bununla birlikte, mezo gözenekli CNF, hem lityum hem de sodyum iyon hücrelerinde 1000 şarj-deşarj döngüsünden sonra bile yüksek döngüsel stabilitesi ile dikkat çekmiştir. Tezin ikinci kısmında, biyo-malzemeler bol miktarda bulunmaları ve yeniden kullanım potansiyelinden dolayı birçok araştırmacı tarafından derinlemesine incelenmiştir. Bu bağlamda, tezin dördüncü kısmında biyo-atıkların öncül karbon malzemesi olarak kullanılarak karbon nanoparçacıkların üretilmesi anlatılmıştır. Burada yerfıstığı kabukları yüksek selüloz içeriği ve lifli yapısından dolayı karbon öncül malzemesi olarak tercih edilmiştir. Karbon parçacıkların oluşumu, öğütülmüş yer fıstığı kabuklarında aktive edici malzeme (bu işlemde çinko klorür, ZnCl2) ile ön işlem uygulandıktan sonra karbonizasyon işleminden geçirilmesiyle meydana gelmektedir. Yapılan mikroskopik ve yapısal analizler göstermiştir ki, elde edilen karbon parçacıkları (Cp) yüksek yüzey alana (1167 m2/g) ve oldukça düzensiz yapıya sahip mikro-boyutlu (~20 µm) karbon yapılardır. Daha düşük boyutlara ve daha düzenli yapılara sahip olmasını sağlamak için ise bu parçacıklar bilyalı öğütücü ile parçalanmıştır. Öğütülmüş karbon parçacıklarına yapılan analizlerde öğütme işleminin sadece parçacık boyutunu (~580 nm) değiştirmemiş aynı zamanda da gözenekliliğini de arttırdığı görülmüştür. Bilyalı öğütme işlemi, toplam yüzey alanını önemli ölçüde değiştirmeden parçacıkların mezogözenekliliğini arttırmıştır. Buna ek olarak, öğütülmüş karbon parçacıkları geniş katman boşluklu düzensiz c-yapıları ve daha yüksek fonksiyonelleştirilmiş (C=O) yapıları içermekte bu da tekrarlanabilir iyon difüzyonunu ve daha yüksek kapasitesite sağlamaktadır. Parçacıkların elektrokimyasal özellikleri sulu elektrolit kullanılarak3-elektrotlu elektrokimyasal sistemde çevrimsel voltametri ile incelenmiştir. Cp elektrotlarının psodökapasitif davranışı incelendiğinde, Ag'ye karşı -1 ila 0.3 V arasındaki potansiyel aralıkta olduğu tespit edilmiştir. Daha küçük karbon parçacıkların gelişmiş elektrokimyasal performansı aynı zamanda CV (döngüsel voltametri) analizi ile de desteklenmiştir. Son olarak, simetrik süperkapasitör hücrelerinin performansı da incelenmiş ve biyo-atıklardan elde edilen karbon parçacıkların süperkapasitör elektrotlarda potansiyeli analiz edilip, açıklanmıştır. Bunun yanında, biyo-atıklardan geliştirilen karbon parçacıkları, simetrik süperkapasitör hücreleri için elektrokimyasal bileşen olarak elektrotların tasarımında kullanılmıştır. Desteksiz nanolif elektrot eldesi için çözeltiden üfleme yöntemi ile ultra-yüksek miktarda karbon nanoparçacığı içeren PVDF nanolifleri üretilmiştir. Polimer konsantrasyonu, çözücü oranı ve karbon konsantrasyonu gibi kompozit nano lif üretim parametreleri, mümkün olan en çok miktarda karbon parçacıkları ile hatasız lifler elde etmek için optimize edilmiştir. Optimum parametreler, 10wt% polimer çözeltisi, 60wt% karbon ve 50:50wt% DMF/aseton karışımı olarak bulunmuştur. Beşinci bölümün ikinci kısmında üretilen lifli malzemeler sulu ve organik elektrolit içeren simetrik süperkapasitör hücrelerinde kullanılmıştır. Yüksek aktif madde yüklenmişi elektrotların kullanıldığı sulu elektrolitli süperkapasitörler 1120 mF/cm2'ye kadar alan kapasitansı göstermiştir. Ayrıca, arttırılmış elektrik iletkenliğe sahip lifli elektrotlar 10,000 çevrim sonunda bile kapasitelerinin sadece %9'unu kaybederek yüksek çevrim stabilitesi ve yüksek pil kapasitesi göstermişlerdir. Organik süperkapasitörlerde hücreler kapasitanslarının %96,4'ünü korudukları için elektrotların çevrimsel stabilitesi daha da öne çıkmaktadır. Önerilen biyolojik atık türevi kompozisyon ve lifli yapının yüksek alan kapasitansı ve kararlılığa sahip olması nedeniyle geliştirilmesi ve kullanımı umut verici elektrotlar olduğu kanıtlanmıştır. Tezin ikinci kısmında, Bölüm 6'da simetrik süperkapasitör uygulamaları için geliştirilen nanolifli yapıdaki esnek ve kalın elektrotların geliştirilmesi tartışılmıştır. Desteksiz (yapıştırıcı ve iletken madde katkısız) karbon nanolif (CNF) yüzeyler 335 nm çap ortalamasında çözeltiden üfleme yöntemi kullanılarak üretilmiştir. Öncelikler bu malzemelerin mikro-yapıları ve gözenekliliği analiz edilmiştir. Daha sonra en uygun sulu elektrolit belirlenmesi ve çalışılabilir uygun maksimum voltaj aralığının belirlenmesi için CNF elektrotların elektrokimyasal performansı incelenmiştir. Sonuçlar, karbon nanolif elektrotların (CNF) bazik sulu elektrolitte (pH14), oksijen veya hidrojen çıkışı olmadan, maksimum 1.4 V'lik bir voltaja kadar çalışabileceğini göstermiştir. Sonrasında, 6M KOH çözeltisinin elektrolit olarak kullanıldığı simetrik süperkapasitörlerde 1,2 mm üzeri kalınlığa sahip ve yüksek aktif madde yüklemiş karbon nanolif (CNF) elektrotların performansı test edilmiştir. Sonuç olarak kütle yoğunluğu 25 mg/cm2'e kadar olan elektrotların enerji ve güç değerleri açısından ticari süperkapasitörlerle karşılaştırılabilir olduğu görülmüştür. Ayrıca 2 A/g akımda 10,000 çevrim üzerinde dahi kapasite kaybı yaşanmadığı belirlenmiştir. Bir diğer sonuç ise, aktif madde miktarının arttırılmasıyla daha düşük çevrim stabilitesi elde edilmesidir. Elektrokimyasal impedans analizi sonucunda belirlenen daha kalın elektrotlardaki kapasite kaybının çevrim sırasında iyon difüzyonun azalmasından olduğu sonucuna varılmıştır. Elektrotların post-mortem analizi, elektrolit ile gerçekleştirilen yan reaksiyonların ürünü olan kristal benzeri yapıların düşük iyon difüzyonuna sebebiyet verdiğini ortaya koymuştur. Tezin son bölümünde birçok farklı aktif madde ile katkılanmış karbon nanoliflerin yapıları ve sulu elektrolitli süperkapasitör hücre içerisindeki performansları ele alınmıştır. Katkılanmış nanokarbon liflerinin üretilmesinde lif üretim tekniği olarak çözelti üfleme tekniği kullanılmıştır. Katkılama malzemesi olarak kullanılan Kalay (Sn), Manganez (Mn), Molibdum disülfür (MoS2) ve Prussian mavisi (PB) karbon nanoliflerin yapısına ya öncül tuzlar kullanılarak ya da doğrudan nanoparçacıklar kullanılarak katılmıştır. Karbon nanoliflerin yapısal analizi gerçekleştirildiğinde doplanan farklı katkı maddelerinin karbon yapısında önemli değişikliklere neden olduğu ortaya çıkmıştır. Diğer taraftan, elde edilen kompozit karbon nanolif elekrotlar üzerinde yapılan elektrokimyasal analizler göstermiştir ki; karbon matrix yapı elektrokimyasal sistemde baskın ve belirleyicidir. Katkılama malzemelerinin elektrokimyasal özelliğe ve çevrim stabilitesi üzerine etkisini incelemek üzere simetrik süperkapasitör hücreleri hazırlanmıştır. Katkılama malzemelerinin empedans analizleri sonucunda; katkılama malzemelerinin her ne kadar kapasiteye yarar sağlamasalar da çevrim sırasında yan ürünlerin oluşmasını engelleyerek iyonik difüzyonu iyileştirmiş ve iç direncin küçük kalmasına katkı sağladığı belirlenmiştir. Bu etki Sn ve MoS2 nanoparçacıklar ile katkılanmış CNF yapılarında en çok göze çarpmaktadır. Son olarak ise, katkılanmış CNF ve sade CNF yapılarının eşleştirilerek oluşturulan pozitif ve negatif bir elektrot çifti asimetrik süperkapasitör hücre için kullanılmıştır. Katkılanarak oluşturulan dört CNF yapısı içerisinden, genel voltaj aralığı (1.6 V) en yüksek olan SnMo CNF yalın CNF'e çift olarak seçilmiştir. Genişletilmiş voltaj aralığı sayesinde asimetrik hücrelerin, simetrik hücrelere göre yüksek çevrim stabilitelerinin yanında daha fazla spesifik enerji verdiği görülmüştür. Özetle, bu tezde gerçekleştirilen çalışmalarda kontrol edilebilir morfolojilere sahip farklı fonksiyonlarda nanolif malzemeler geliştirilmiştir. Farklı özelliklere sahip nanolilf yapıların kontrol edilebilir bir biçimde endüstriyel ölçekte üretilebilirliği incelenmiştir. Ayrıca, liflerin yapı ve özellikleri araştırılarak pil, süperkapasitör ve hibrit enerji depolama sistemlerindeki potansiyel uygulamalarını araştırılmıştır.

Özet (Çeviri)

Fibrous materials with diameter below one micrometer and large aspect (length-to-diameter) ratio are considered as 1D nanomaterials, so called nanofibers. Their unique network structure gives them high surface-to-volume ratio and remarkable properties which can be controlled according to the choice of material(s) they are made of. Therefore, they meet the requirements in wide range of application areas, including filtration, functional textiles, tissue engineering, energy storage, etc. Regarding the area of energy storage systems, nanofibrous materials can be used as main constituents, namely electrodes and/or separators. Nanofibrous electrodes can improve the properties of the energy storage devices from many aspects. Firstly, nanofibers can be made of one unique or a combination of materials that can provide high electrical conductivity and electrochemical activity that would lead to high capacity and stable cycling life. Besides, their morphology can be shaped so that the fiber itself can be porous, hollow or act as a particle holder. The network nature of nanofibrous mats gives them flexibility and makes them suitable for stand-alone applications. An added value is the fact that the porosity of nanofibrous mats allows easier absorption of electrolyte and its penetration through the whole electrode thickness, which in turn allows production of thick electrodes with high mass loading. Thick and free-standing (without binder or conductive additives) electrodes are industrially feasible, since they reduce production cost and provide high volumetric performances of energy storage devices. Such thick nanofibrous electrodes are good candidates to replace conventional film-based electrodes in either batteries or supercapacitors. Moreover, combining electrodes made of materials with capacitive and redox behavior into one device, results in a hybrid device with fused electrochemical performance. In that regard, this thesis deals with development of nanofibrous electrodes and their application in both, batteries and supercapacitors. More precisely, the thesis can be divided into two main parts where porous carbonaceous fibrous electrodes, polymer/particle nanofibers and thick carbon nanofibers were developed and used as electrodes in battery and supercapacitor cells. The use of environmentally friendly materials was emphasized in the first two parts, by developing carbonaceous electrodes for battery and polymer/particle electrodes for supercapacitor applications. On the other side, the possibility to produce high mass loading fibrous electrodes via industrially feasible spinning technique was investigated in the second part. At the end, the potential application of different types of composite CNF electrodes in various supercapacitor cell configurations were investigated. Since, the main focus of the thesis is the development of nanofibrous materials, two production methods, namely electrospinning and solution blowing, are used and discussed. Among them, solution blowing is preferred due to its high production rates and safe use without the need for high voltage power supply. Solution blowing technique is especially emphasized because it enables large scale production of thick layers of nanofibers, which is of outmost importance for their industrial implementation in energy storage devices. In terms of materials, the first part of the thesis emphasizes the usage of environmentally friendly carbon precursors, which, found as side products or waste, have the potential to be reused. In the second part, the accent is on the use of doping elements as electrochemically active materials. Deep understanding of the structural differences of all developed materials was performed via microscopic analysis, Fourier Transform Infrared (FTIR), Raman Spectroscopy, X-ray diffraction (XRD) and Brunauer-Emmett-Teller (BET) surface area analysis. Whilst, the electrochemical performances of the fibrous electrodes were determined via cyclic voltammetry (CV), electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and/or galvanostatic charge/discharge tests. The focus of the thesis in the first part lays in the development of porous fibrous electrodes from environmentally friendly materials. For that purpose activated and mesoporous carbon nanofibers (CNF) were produced. Lignin was the main carbon precursor of choice due to its abundance in nature and aromatic structure. The fibers were obtained from lignin/poly(vinyl alcohol) polymer blends via electrospinning technique. Potassium hydroxide (KOH) was used as pore-formation and activation agent. In order to investigate its role in the formation of porous structure, it was applied in-situ before fiber production and after carbonization, so that two types of CNF were produced. SEM and BET analysis showed that activation of already carbonized nanofibers results in spongy CNFs with enhanced microporosity compared to non-activated CNF. On the other hand, in-situ addition of the activating agent promotes more uniform and mesoporous fibrous network. It also helps the formation of more ordered carbonaceous structure, which favors the electrochemical performances of the electrode. FTIR analysis emphasized that iodine acts as dehydration agent accelerating the formation of aromatic structure. Overall, it can be concluded that CNF with micro and mesoporous structure can be successfully produced from natural lignin. Furthermore, the developed CNF were used as free-standing anodes in a half cell lithium and sodium ion batteries and their rate capability and cycling stability were tested. Among the two porous CNF, the microporous one showed highest capacity. However, the mesoporous CNF was highlighted by its high cycling stability in both lithium and sodium ion cells even after 1000 charge-discharge cycles. The perspective of the abundant bio-materials and the possibility to be reused was further extended in the second part of the thesis. In this regard, 4th chapter of the thesis depicts the formation of carbon nanoparticles using biowaste carbon precursor. Here, peanut shells were the material of choice due to its high cellulose content and fibrous structure. The formation of carbon particles was done by pretreatment of ground peanut shells with activating agent (in this case zinc chloride, ZnCl2) and then their carbonization. Microscopic and structural analysis showed that the obtained carbon particles (Cp) are micro-sized (~20 µm) with high specific surface area (1167 m2/g) and highly disordered carbonaceous structure. Such particles were ball milled in order to reduce their size and make them more uniform in shape. Further analysis of ball milled Cp, revealed that the grinding process not only changed their size (~580 nm) but also affected their porosity. Ball milling promoted the mesoporosity of the particles without changing the overall surface area significantly. Moreover, ball milled Cp showed slightly more disordered c-structure with large interlayer space and more (C=O) functional groups, which favors reversible ion diffusion and improved capacity. The electrochemical behavior of the particles was investigated via cyclic voltammetry in a 3-electrode electrochemical system in aqueous electrolyte. Pseudocapacitive behavior of Cp electrodes was detected in a potential window between -1 to 0.3 V vs Ag. The improved electrochemical performances of the smaller Cp were also confirmed with CV analysis. At last, the performances of symmetric supercapacitor cell was also investigated. The potential of this bio-waste carbon particles as supercapacitor electrodes was analyzed and confirmed. Further on, the developed bio-waste carbon particles were used as electrochemical component into an original electrode architecture for symmetric supercapacitor cells. To obtain freestanding electrodes, PVDF nanofibers containing ultra-high amount of carbon nanoparticles were produced via solution blowing technique. Composite nanofiber production parameters such as polymer concentration, solvent ratio, and carbon concentration were optimized in order to obtain defectless fibers with the largest possible amount of carbon particles. It was found that 10wt% polymer solution, 60wt% carbon content and 50:50wt% DMF/acetone mixture are the optimal parameters. In the second part of the 5th chapter, the produced fibrous materials were used in a symmetrical supercapacitor cell with aqueous and organic electrolytes. Aqueous supercapacitor cells with high electrode mass loading showed areal capacitance up to 1120 mF/cm2. Moreover, fibrous electrodes with increased electrical conductivity showed high rate capability and high cycling stability losing only 9% of its capacity after 10,000 cycles. The cycling stability of the electrodes is even more emphasized in organic supercapacitors where the cells retain 96.4% of their capacitance. The proposed biowaste derived composition and fibrous architecture was proven to be promising electrodes due to high areal capacitance and stability. The second part of the thesis, starting with Chapter 6, discusses the development of flexible and thick carbon nanofiber electrodes for symmetric supercapacitor application. Free-standing CNF mats with average diameter of 335 nm are produced via solution blowing technique. Their microstructure and porosity were firstly analyzed. Later on, the electrochemical performances of CNF were investigated in order to determine the most suitable aqueous electrolyte and the maximum operating voltage window at it. The results showed that in basic aqueous electrolyte (pH14) CNF can operate in a maximum voltage window of 1.4 V, without evolution of oxygen or hydrogen. Then, CNF electrodes with high mass loading and thicknesses up to 1.2 mm were tested in symmetric supercapacitor cells with 6M KOH solution as an electrolyte. It was found that electrodes with mass loading up to 25 mg/cm2 can deliver energy and power values comparable to those of commercial supercapacitor cells. Moreover, it can be cycled up to 10000 cycles without capacity loss, at current of 2 A/g. Further increase of the mass loading, results in lower cycling stability. Electrochemical impedance spectroscopy showed that the capacity loss of the thicker electrodes is a result of decreased ion diffusion during cycling. Post-mortem analysis of the electrodes reveled that lower ion diffusion appears due to crystal-like products formed as a result of side reactions with the electrolyte. The structure of carbon nanofibers doped with several different active materials and their performances in aqueous supercapacitor cells was focus in the last chapter of the thesis. Solution blowing was again used as fiber formation method for the development of doped carbon nanofibers. Tin (Sn), manganese (Mn), molybdenum disulfide (MoS2) and Prussian blue (PB) were used as doping materials and were embedded into CNF either through precursor salts or nanoparticles. Structural analysis on the doped CNF showed that the type of doping agent significantly affects the carbonaceous structure obtained. On the other side, electrochemical analysis of individual CNF electrodes, showed that the carbonaceous matrix is dominant and defines their properties in the electrochemical system. Symmetric supercapacitor cells were assembled in order to investigate the effect of doping materials on the electrochemical behavior and cycling stability of the electrodes. Impedance analysis of the cells showed that doping elements, even though does not contribute to the capacity, it can prevent the formation of side products during cycling, which in turn improves the ionic diffusivity and keeps the internal resistance low. This effect was most emphasized when Sn and MoS2 nanoparticles were embedded into CNF. At the end, one doped and one neat CNF were matched and used as a pair of positive and negative electrodes for an asymmetric supercapacitor cell. Among the four doped CNF developed, SnMo CNF was chosen as a pair for neat CNF because their overall voltage range (1.6 V) is the highest one. Besides its high cycling stability, the asymmetric cell showed enhanced specific energy, when compared to the symmetric cells, as a result of its extended voltage window. In summary, the research conducted in this thesis demonstrates development of various nanofibrous materials with controllable morphology. It demonstrates the possibility to use biowaste as main material for their production. It points out the feasibility to produce such fibers via an industrially scalable technique, namely solution blowing. Further on, it investigates the structure and properties of the fibers and shows their potential application in battery, supercapacitor and hybrid energy storage systems. The dissertation presented here as a collection of research papers. As a result the redundancy of introductory information would be noticed because the papers are intended to be sufficiently independent. A short summary of each is provided bellow to help readers navigate through this dissertation.

Benzer Tezler

Tez No
419050
AAO şablonlar içerisine nikel biriktirme ile yüksek kapasiteli hibrit kapasitör elektrotlarının üretimi
Fabrication of high capacity hybrid capacitor elecrodes via nickel deposition into AAO templates
BURAG HAMPARYAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Metalurji Mühendisliği İstanbul Teknik Üniversitesi
Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA KAMİL ÜRGEN
Tez No
905258
Lityum iyon piller için yazdırılabilir NMC katot mürekkeplerinin sentezi
Synthesis of printable NMC cathodes for lithium ion batteries
FATMA SENA TUNCA
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Enerji Sakarya Üniversitesi
Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MAHMUD TOKUR
Tez No
670863
Fotovoltaik entegre elektrikli uçaklar için uzman sistem tabanlı enerji yönetim sisteminin incelenmesi
Examination of expert system based energy management system for solar electric aircraft
OĞUZ KAĞAN KELEŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Elektrik ve Elektronik Mühendisliği İstanbul Teknik Üniversitesi
Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA BAĞRIYANIK
Tez No
808551
Design of hybrid solar wind system for sustainable energy storage: A case study Rutba city
Sürdürülebilir enerji depolaması için hibrit güneş rüzgar sisteminin tasarımı: Rutba şehiri örnek çalışması
AHMED BASEM MOHAMMD ALDULAEMI
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Sakarya Üniversitesi
Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CENK YAVUZ
Tez No
879069
Enerji depolamada yenilikçi karbon yapılı esnek yüzeylerin üretimi ve analizi
Production and analysis of novel carbon structured flexible surfaces for energy storage applications
ESRA ŞERİFE KILIÇ
Doktora
Türkçe
2024
Tekstil ve Tekstil Mühendisliği İstanbul Teknik Üniversitesi
Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ DEMİR

Geri Dön