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
- Tez No: 643474
- Danışmanlar: PROF. DR. SELMİYE ALKAN GÜRSEL, DR. ÖĞR. ÜYESİ ALP YÜRÜM
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Bilim ve Teknoloji, Enerji, Mühendislik Bilimleri, Science and Technology, Energy, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 175
Özet
Piller fosil yakıtların tükenmesi ve çevresel faktörlerden kaynaklanan gelecekteki enerji krizi için evrensel çözümdür. Lityum iyon piller taşınabilir elektronik cihazlar güç verebilmek için geniş çapta ticarileşmesine rağmen, elektrot malzemelerinin gelişimi asla durmamıştır. Bu doktora tezinde metal ve metal oksitler ile dekore edilmiş grafen esaslı elektrot malzemeleri uzun çalışma süresinin sürdürmesi ve Li iyonu depolama kapasitesini artırması için geliştirilmiştir. Dahası otomobil ve havacılık endüstrisindeki yüksek enerji talebini karşılamak için yeni nesil piller olarak Li-O2 çalışılmıştır. Oksijen oluşum ve indirgenme reaksiyonlarında görev alan gözenekli hava katodu olarak kullanılmamak üzere yeni bir katalizör malzemesi geliştirildi. Bu çalışmada kullanılan grafen oksit (GO), Hummers'ın geliştirilmiş yöntemiyle sentezlendi. Ardından, olağanüstü lityum iyon depolama özelliklerine sahip indirgenmiş (rGO) ve azot katkılı indirgenmiş grafen oksit (NrGO) elektrotları üretmek için basit ve tek adımlı bir termal yöntem oluşturuldu. RGO ve NrGO elektrotlarının elektrokimyasal özellikleri Li-iyon yarı hücesi kullanılarak kapsamlı bir şekilde karşılaştırıldı. NrGO elektrotları,% 90 kapasite tutma ile 500 çalışma döngüsünden sonra 10 Ag-1'lik yüksek bir akımda 240 mAhg-1'lik tersine çevrilebilir bir kapasite sergiledi. Ayrıca, basit, tek adımlı ve ölçeklenebilir bir yöntemle yüksek akım oranı kullanarak yüksek deşarj kapasiteleri elde etmek için NrGO ve nanotübüler TiO2'nin sinerjik etkisini araştırdık. İlk olarak, hidrojen titanat nanotüpler, NrGO tabakalarının yüzeyinde hidrotermal yöntemiyle büyütüldü ve daha sonra bu ürün ısıl tavlama ile TiO2-B ve anataz karışık fazlarına dönüştürüldü. Hazırlanan anot, 50 çevirimden sonra 1C akım hızında 150 mAhg-1 sabit deşarj kapasitesi gösterdi. Ayrıca, Si nanoparçacıklar (NP'ler) ve rGO kullanarak katmanlı (sandviç benzeri) bir anot yapısı üretmek için basit ve uygun maliyetli bir püskürtmeli kurutma yöntemini tanıttık. Si NP'ler, SiO2 nanoparçacıklarının magneziyotermik indirgenmesiyle sentezlendi. Ölçeklenebilir ve basit bir püskürtme/kurutma yöntemiyle, Si NP'lerini iki rGO katmanın arasına yerleştirdik. Si partiküllerinin genişlemesini başarıyla engelleyen sandviç benzeri yapı, anodu zararlı koşullardan korudu. Bu yeni ve karmaşık olmayan üretim tekniğiyle, 50 döngüden sonra rGO-Si-rGO anodu, 1C'de % 97 kulombik verimlilikle 1089 mAhg-1'lik yüksek spesifik kapasite ve 5C'ye kadar akım yoğunluklarında kararlı bir döngü performansı gösterdi. Son olarak, seryum (IV) oksit (CeO2) nano çubuklar hidrotermal işlemle sentezlendi ve başka bir hidrotermal aracılığıyla NrGO ile desteklendi. Burada CeO2/NrGO katalizör malzemeleri, lityum iyodür (LiI) redoks mediatörü içeren aprotik bir elektrolit kullanılarak Li-O2 katodu olarak incelenmiştir. Sonuçlar, LiI ile CeO2 ve NrGO'nun yeni katalizör hibritinin Li-O2 pilin elektrokimyasal performansını doğrudan artırdığını gösterdi. Onların sinerjik etkileri, OER ve ORR kinetiğini geliştirdi. LiI'nin etkisi salt NrGO hava katodunu CeO2/NrGO katotuyla karşılaştırılarak ilk kez bu çalışmada araştırıldı. LiI eklenmesi, aşırı potansiyeli CeO2/NrGO hava katodunda 0,78 V'a kadar düşürdü. CeO2/NrGO farklı akım yoğunluklarında test edildi ve 25 mAg-1 akım yoğunluğunda maksimum 5040 mAhg-1 kapasite ortaya çıkardı.
Özet (Çeviri)
Batteries are the global solution for the future energy crisis emerging from depleting fossil fuels and environmental issues. Even though lithium-ion batteries are widely commercialized for powering portable electronics, materials development for their electrodes has never stopped. In this Ph.D. thesis, metal and metal oxides decorated graphene-based electrode materials were developed to sustain long term operation and enhance Li-ion storage capacity. Moreover, Li-O2 as the next-generation batteries were studied to compensate for immense energy demand in the automotive and aerospace industry. A new catalyst material was developed to be used as their porous air cathode partaking in oxygen evolution reactions (OER) and oxygen reduction reactions (ORR). The graphene oxide (GO) utilized in this study was synthesized by the improved Hummers' method. Then a straightforward, one-step thermal route has been established to fabricate reduced- (rGO) and nitrogen-doped reduced graphene oxide (NrGO) electrodes with remarkable lithium-ion storage properties. The electrochemical properties of the rGO and NrGO electrodes have been extensively compared in a Li-ion half-cell. The NrGO electrodes exhibited a reversible capacity of 240 mAhg-1 at a high current of 10 Ag-1 after 500 cycles of operation with 90 % capacity retention. Further, we have investigated the synergistic effect of NrGO and nanotubular TiO2 to achieve high rate capabilities with high discharge capacities through a simple, one-step and scalable method. First, hydrogen titanate nanotubes were hydrothermally grown on the surface of NrGO sheets and then converted to a mixed phase of TiO2-B and anatase by thermal annealing. The prepared anode showed a stable discharge capacity of 150 mAhg-1 at 1C current rate after 50 cycles. Moreover, we introduced a simple and cost-effective spray-drying method to fabricate a layered (sandwich-like) anode structure using Si nanoparticles (NPs) and rGO. The Si NPs were synthesized by the magnesiothermic reduction of SiO2 nanoparticles. By a scalable and straightforward spraying/drying method, we embedded Si NPs between two layers of rGO sheets. The sandwich-like structure, which successfully contains the expansion of Si particles, protected the anode from detrimental conditions. With this new and uncomplicated production technique, the rGO-Si-rGO anode after 50 cycles, showed a high specific capacity of 1089 mAhg-1 at 1C with 97% coulombic efficiency and a stable cycling performance at current densities up to 5C. Lastly, cerium (IV) oxide (CeO2) nanorods were synthesized by hydrothermal treatment and supported on NrGO by another hydrothermal step. Herein, CeO2/NrGO catalyst materials were studied as a Li-O2 cathode using an aprotic electrolyte, which includes lithium iodide (LiI) as a redox mediator. The results showed that the novel catalyst hybrid of CeO2 and NrGO with LiI directly increased the electrochemical performance of Li-O2 battery. Their synergetic effect improved the kinetics of OER and ORR. The impact of LiI on CeO2/NrGO by comparing bare NrGO air cathode was investigated for the first time in this study. The addition of LiI decreased the overpotential up to 0.78 V in CeO2/NrGO air cathode. CeO2/NrGO were tested at the different current densities and revealed a maximum capacity of 5040 mAhg-1 at 25 mAg-1 current density.
Benzer Tezler
- Lityum kükürt piller için polisülfür adsorbanı esnek kalıpların geliştirilmesi
Development of flexible molds as polysulfide adsorbent for lithium sulfur batteries
CEM ADALI
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
EnerjiSakarya Uygulamalı Bilimler ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HİLAL GÜNSEL
- Decoration of graphene sheets by metal oxide particle: Synthesis, characterization, and application in hydrogen storage
Grafen levhaların metal oksit parçacısından dekorasyonu: Hidrojen depolama sentezi, karakterizasyonu ve uygulaması
ZAHRA GOHARI BAJESTANI
- Graphene (oxide) – metal/metal (hydr)oxide composites: Synthesis and applications in electrochemical energy storage and conversion
Grafen (oksit) - metal/metal (hidr)oksit kompozitleri: sentezi ve elektrokimyasal enerji depolama ve dönüşümü için uygulamaları
FERİHA EYLÜL ÖZTUNA
Doktora
İngilizce
2018
EnerjiKoç ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. UĞUR ÜNAL
- Development and applications of nanomaterials enriched aptamer based electrochemical biosensors
Nanomalzemelerle Zenginleştirilmiş Aptamer Tabanlı Elektrokimyasal Biyosensör Geliştirilmesi ve Analitik Uygulamaları
İREM AYDIN KIRLANGIÇ
Doktora
İngilizce
2022
KimyaEge ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FATMA NİL ERTAŞ
PROF. DR. PINAR KARA KADAYIFCILAR
- Development of metal and metal oxide nanoparticles and investigation of their potential applications
Metal ve metal oksit nanoparçacıkların geliştirilmesi ve potansiyel uygulama alanlarının incelenmesi
ÖZGE ÇAVUŞLAR
Doktora
İngilizce
2019
KimyaKoç ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HAVVA YAĞCI ACAR