Electrochemical impedance spectroscopy based characterization and modeling of electrochemical energy storage systems
Elektrokimyasal enerji depolama sistemlerinin elektrokimyasal empedans spektroskopisi tabanlı karakterizasyonu ve modellenmesi
- Tez No: 691736
- Danışmanlar: DOÇ. DR. BURAK ÜLGÜT
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Kimya, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 209
Özet
Bu tezde ilk olarak, Elektrokimyasal Empedans Spektroskopisi (EIS) kullanan birincil Lityum pillerdeki elektrokimyasal süreçlerin karakterizasyonunu gösteriyoruz. Geniş frekans aralığında birincil Li pillerin doğrusal ve kararlı empedans verilerini sağlayan deşarj tekniğiyle Galvanostatik-EIS geliştiriyoruz. Elde edilen veriler, elektrolit bileşiminin varyasyonu ile ayrıca araştırıldığında sonuçlar, farklı frekans bölgelerindeki empedans yanıtının türünü ortaya koymaktadır. Empedans tepkisi daha sonra ilgili anodik ve katodik yük transferine ve arayüzey süreçlerine atanmıştır. Ayrıca, sıcaklıkla aktive olan süreçleri ortaya çıkaran ve aktivasyon enerjilerinin hesaplanmasına izin veren pillerin empedansının sıcaklığa bağımlılığını araştırıyoruz. Lineer empedans yanıtının yanı sıra, birincil Li pillerden elde edilen doğrusal olmayan yanıtı da araştırıyoruz. Li anodunun pasifleşme derecesini tespit etmek için doğrusal olmayanlığın kullanılabileceğini gösterdik. Ayrıca, farklı Şarj Durumlarında ve sıcaklık değişimi ile doğrusal olmayan tepkiyi de gösteriyoruz. İkinci olarak, birincil Li pillerin voltaj yanıtını modellemede doğrusal empedans verilerini kullanıyoruz. İstenen uygulamalar için birincil Li pillerin voltaj tepkisini tahmin etmek için önceden geliştirilmiş EIS tabanlı Sıfırsız parametre modelleme yaklaşımını uyguluyoruz. Anotta metalik Li kullanmanın bir sonucu olan voltaj gecikmesi olgusunu hesaba katan yöntemi geliştirdik. Aynı modelleme yöntemini, hibrit ikincil Li-ion pil süper kapasitör sistemlerinin gerçek yaşam setari altında voltaj tepkisini tahmin etmek için de kullanıyoruz. Diferansiyel evrim optimizasyon algoritmasını kullanarak paralel olarak bağlı hibrit sistemler arasındaki akım dağılımını ilk önce tahmin etmek için yöntemi geliştiriyoruz. Daha sonra her sistemin doğru empedansı ile voltaj yanıtı tahmin edilir. Modellenen sonuçları, çeşitli hibrit Li-iyon süper kapasitör sistemleri için yüksek doğruluk gösteren deneysel ölçümlerle doğruladık. Son olarak, modellenen sonuçları kullanarak, tepe akımı, güç ve toplam enerji gibi farklı parametrelerde elde edilen kazanımlara dayalı hibridizasyon için tasarım kuralları sunuyoruz. Ayrıca, Li-ion pil süper kapasitör hibrit sisteminin en iyi kombinasyonunun belirlenmesine de katkıda bulunan farklı süper kapasitör kapasiteleriyle hibridizasyonun boyutundaki ve maliyetindeki iyileştirmeler incelenmiştir.
Özet (Çeviri)
In this thesis, first we demonstrate the characterization of the electrochemical processes in primary Lithium batteries utilizing Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS). We develop Galvanostatic-EIS at discharge technique which provide linear and stable impedance data of primary Li batteries in wide frequency range. The obtained data is further investigated by variation of the electrolyte composition. The results reveal the electrochemical processes associated with impedance response at different frequency regions. The impedance response is then assigned to the corresponding anodic and cathodic charge transfer plus the interfacial processes. Further, we investigate the temperature dependence of the impedance of the batteries which reveals the activated processes and allow for the calculation of their activation energies. Along with the linear impedance response, we also investigate the non-linear response obtained from the primary Li batteries. We show that non-linearity can be used to detect the degree of the passivation of the Li anode. We also show the non-linear response at different States-of-Charge and with temperature change. Second, we utilize linear impedance data in modeling the voltage response of the primary Li batteries. We apply previously developed EIS based Zero-free-parameter modeling approach to predict the voltage response of the primary Li batteries for the desired applications. We improve the method to account for the voltage delay phenomena which is an outcome of using metallic Li in the anode. We further utilize the same modeling method to predict the voltage response of hybrid unmanaged secondary Li-ion batteries supercapacitor systems under real-life setarious. We develop the method to first predict the current distribution among the parallel connected hybrid systems utilizing differential evolution optimization algorithm. Then with the accurate impedance of each system the voltage response is predicted. We validate the modeled results with experimental measurements which shows high accuracy for various hybrid Li-ion supercapacitor systems. Finally, utilizing the modeled results we present design rules for hybridization based on the gains obtained in different parameters such as, peak current, power and total energy. Moreover, the improvements in size and cost of hybridization with different supercapacitor capacities are studied which also contribute in determining the best combination of the Li-ion battery supercapacitor hybrid system.
Benzer Tezler
- Physical Based Modeling of the Electrochemical Impedance of Lithium-Ion Batteries
Lityum-iyon bataryaların elektrokimyasal empedansının fiziksel modeli
ONGUN BORA SABAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
EnerjiGebze Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET ALİ ARSLAN
DOÇ. DR. MUSTAFA FAZIL SERİNCAN
- Synthesis of some functional conducting polymers, characterization, Mott-Schottky analysis and sensor applications
Bazı fonksiyonel iletken polimerlerin sentezi, karakterizasyonu, Mott-Schottky analizi ve sensor uygulamaları
TOLGA KARAZEHİR
Doktora
İngilizce
2017
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ABDÜLKADİR SEZAİ SARAÇ
PROF. DR. MURAT ATEŞ
- Construction and characterization of biomimetic cell membranes on the surface of electrospun conductive nanofiber mats
Elektro çekim yöntemi ile elde edilmiş iletken polimer nanofiber mat yüzeylerinde biyomimetik hücre zarı üretimi ve karakterizasyonu
ŞEBNEM SEHERLER
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Biyoteknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. FATMA NEŞE KÖK
- Development of multi-layer conductive polymer nanocomposites for electromagnetic shielding application
Elektromanyetik kalkanlama uygulamaları için katmanlı iletken polimer nano kompozitlerinin geliştirilmesi
FATMA ZEHRA ENGİN SAĞIRLI
Doktora
İngilizce
2017
Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EYÜP SABRİ KAYALI
PROF. DR. ABDÜLKADİR SEZAİ SARAÇ
- Electrochemical characterization and sensor behaviours of carbazole based copolymers
Karbazol içerikli kopolimerlerin elektrokimyasal karakterizasyonu ve sensor davranışları
MURAT ATEŞ
Doktora
İngilizce
2007
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF.DR. A. SEZAİ SARAÇ