Lityum kükürt piller için nanodolgulu kompozit membranların geliştirilmesi
Development of nanofiller reinforced composite membranes for lithium sulfur batteries
- Tez No: 718812
- Danışmanlar: PROF. DR. ALİ OSMAN AYDIN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Kimya, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Sakarya Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Analitik Kimya Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 159
Özet
Elektrikli araçların kullanımının yaygınlaşması, uygun boyut ve sürüş aralığına sahip yüksek enerji yoğunluklu enerji depolama sistemlerinin geliştirilmesini gerektirmiştir. Ortaya çıkan pil sistemleri arasında lityum kükürt (Li-S) piller, en son teknoloji ürünü Li-iyon pillerden 5 kat daha fazla teorik enerji yoğunluğuna sahip olması nedeniyle, özellikle büyük kapasite ve uzun pil ömrü gerektiren uygulamalar için dikkat çekmektedir. Li-S pillerde kapasite kaybına neden olan en önemli etmenlerden biri sıvı elektrolitte polisülfürlerin çözünmesi, sonrasında da anot ve katot arasında mekik hareketi gerçekleştirmesidir. Bu sebeple Li-S pilde kapasite korunumunun sağlanabilmesi için sıvı elektrolit yerine iyon değiştirici membranların kullanılması son zamanlarda araştırma konusu olmuştur. Proton değiştirici birer membran olan Nafion ve Aquivion bu amaçla kullanılabilmektedir. Bu polimerler perfloroetilen omurgasına bağlı sülfonik asit grupları içeren perfloroeter yan zincirlerinden oluşmaktadır. Bu polimerlerin lityumlanması ile pillerde Li+ iyon değiştirici elektrolit ve aynı zamanda seperatör olarak kullanımı mümkün olmaktadır. Bu tez çalışmasında, lityumlanmış Nafion ve Aquivion temelli, Al2O3 nanodolgu takviyeli hibrit kompozit iyon değiştirici membranlar geliştirilmiştir. Çalışmalarda önce, çözelti halindeki Nafion ve Aquivion iyonomerlerinin lityumlanarak toz halinde üretimi sağlanmış, bu tozlar ile film halinde Li-Naf, Li-Aqu ve bu iyonomerlerin belirli oranlarda karıştırılması yoluyla da Li-Naf:Li-Aqu hibrit membranlar hazırlanmıştır. Daha sonra, gerçekleştirilen yapısal ve elektrokimyasal karakterizasyonlar sonucunda en yüksek iletkenlik ve elektrokimyasal performans gösteren Li-Naf:Li-Aqu/1:2 bileşime Al2O3 nanodolgu takviyesi yapılarak hibrit kompozit membranlar üretilmiştir. Üretilen membranların, iyon değiştirme kapasitesi, polisülfür geçişi ve şişme davranışı incelenerek çekme testi, FTIR, XRD, TGA ve FESEM ile yapısal karakterizasyonları gerçekleştirilmiştir. Elektrokimyasal analizleri gerçekleştirmek amacıyla CR2032 yarı hücreler oluşturulmuştur. Membranların elektrokimyasal performansları dönüşümlü voltametri, elektrokimyasal empedans spektroskopisi ve galvanostatik şarj-deşarj testleri ile incelenmiştir. Çalışmalar sonunda, 1:2 oranında lityumlanmış Nafion ve Aquivion kullanılarak elde edilen hibrit membranın daha yüksek elektrokimyasal performans sunduğu görülmüştür. Bu membrana %1 oranında Al2O3 nanodolgu takviyesi yapıldığında da en iyi elektrokimyasal performansı sağlamıştır.
Özet (Çeviri)
The widespread use of electric vehicles has required the development of high energy density energy storage systems with suitable size and driving range. Among the emerging battery systems, lithium sulfur (Li-S) batteries attract attention especially for applications requiring large capacity and long battery life, as they have 5 times the theoretical energy density than state-of-the-art Li-ion batteries. One of the most important factors that cause capacity loss in Li-S batteries is the dissolution of the polysulfides in the liquid electrolyte and their shuttle effect between the anode and the cathode. For this reason, recently, the use of ion exchange membranes instead of liquid electrolyte in order to ensure capacity retention in Li-S batteries has been the subject of research. Nafion and Aquivion, which are proton exchange membranes, can be used for this purpose. These polymers consist of perfluoroether side chains containing sulfonic acid groups attached to the perfluoroethylene backbone. By lithiation of these polymers, it is possible to use as Li+ ion exchange electrolyte and a separator in batteries. In this work, lithiated Nafion and lithiated Aquivion based, Al2O3 nanofiller reinforced hybrid composite ion-exchange membranes have been developed. In the studies, firstly, Nafion and Aquivion ionomers in solution were lithiated and produced in powder form. Using these powders, Li-Naf, Li-Aqu and by mixing these ionomers in certain proportions Li-Naf:Li-Aqu hybrid membranes were prepared in film form. Later, hybrid composite membranes were produced by adding Al2O3 nanofiller to Li-Naf:Li-Aqu/1:2 composition, which has the highest conductivity and electrochemical performance as a result of the structural and electrochemical characterizations carried out. The ion exchange capacity, polysulfide transition and swelling behavior of the produced membranes were examined and the structural characterization was carried out by tensile test, FTIR, XRD, TGA and FESEM. CR2032 half cells were designed in order to perform electrochemical analysis. Electrochemical performances of membranes were examined by cyclic voltammetry, electrochemical impedance spectroscopy and galvanostatic charge-discharge tests. At the end of the studies, it was observed that the hybrid membrane obtained by using lithiated Nafion and Aquivion at a ratio of 1: 2 offers higher electrochemical performance. The best electrochemical performance was achieved when this membrane was reinforced with %1 Al2O3 nanofiller.
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
- Li-S piller için nanokompozit katot üretimi
Production of nanocomposite cathode for Li-S batteries
BÜŞRA ŞAHİN
- Characterization of the effect of critical design parameters on the electrochemical performance of a lithium-sulfur battery
Kritik tasarım parametrelerinin lityum-kükürt pilin elektrokimyasal performansı üzerindeki etkisinin karakterizasyonu
HATİCE MERVE BİLAL
Doktora
İngilizce
2022
Kimya MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. DAMLA EROĞLU PALA
- Modeling the effect of sulfur loading on the electrochemical performance of a lithium-sulfur battery
Lityum-kükürt pilinin elektrokimyasal performansı üzerinde kükürt yüklemenin etkisinin modellenmesi
OĞUZTAN UZUN
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Kimya MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. DAMLA EROĞLU PALA
- Effect of electrolyte properties on lithium-sulfur battery performance
Elektrolit özelliklerinin lityum-kükürt batarya performansına etkisi
KAĞAN YÜKSEL
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
EnerjiBoğaziçi ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. DAMLA EROĞLU PALA