Geri Dön

Composite carbon nanofiber anodes for na ion batteries

Sodyum iyon piller için kompozit karbon nanofiber anotlar

PDF İndir

  1. Tez No: 755240
  2. Yazar: ELHAM ABDOLRAZZAGHIAN
  3. Danışmanlar: DOÇ. MELTEM YANILMAZ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Mühendislik Bilimleri, Engineering Sciences
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2022
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 139

Özet

Nanoteknoloji, malzemelerin nano düzeyde incelenmesi ve geliştirilmesidir. Gelişmiş uygulamalara sahip yeni materyaller yaratmadaki muazzam potansiyeli nedeniyle hızla büyüyen bilimsel disiplinlerden biridir. Bu teknoloji, elektronik, malzeme bilimi ve polimer mühendisliği gibi birçok farklı bilim ve mühendislik disiplinini büyük ölçüde etkilemiştir. En önemli tek boyutlu nanomalzemelerden biri olan nanolifler, yüksek özgül yüzey alanı, küçük çapları, tek tip birbirine bağlı 3D gözenekli yapısı gibi benzersiz özelliklerinden dolayı biyomedikal mühendisliği, ilaç dağıtımı, filtrasyon, sensörler, enerji depolama vb. gibi farklı alanlarda birçok uygulamaya sahiptir. Nanolifleri üretmek için kendi kendine montaj, çekme, eriyik üfleme, faz ayırma, elektro eğirme ve santrifüj eğirme gibi farklı teknikler vardır. Santrifüj eğirmenin yüksek üretim verimi ve güvenli üretim gibi özel özelliklerinden dolayı nanolif hazırlamak için en umut verici yöntemlerden biridir. Bu teknikte, nanolifler, polimer çözeltisine yüksek hızlı dönen bir düse içerisinde merkezkaç kuvveti kullanılarak üretilir. Santrifüj eğirme yönteminde, nanoliflerin morfolojisi viskozite, yüzey gerilimi, moleküler yapı, moleküler ağırlık, çözelti konsantrasyonu, çözücü yapısı, katkı maddesi ve işleme parametrelerine, dönüş hızı, besleme hızı, düse çapı ve düse-toplayıcı mesafesi bağlıdır. Nano yapılı karbon allotropları, nanobilim ve nanoteknolojinin teknolojik evriminin yanı sıra kavramsal evriminde de hayati bir rol oynamıştır. Olağanüstü fiziksel özellikleri, gelişmiş malzemeler olarak uygulamalarına yönelik çeşitli bilimsel ilgi alanları açmıştır. Nanomalzemeler nano ölçekte en az bir boyuta sahip olduklarından (birkaç nanometre, tipik olarak 1-100 nm), sıfır boyutlu (0-D), tek boyutlu (1-D) ve iki boyutlu (2-D) malzemeler. Karbon nanolifler, çapı yaklaşık olarak sp2 bazlı lineer filamentler olarak tanımlanabilir. Esneklik ve en boy oranı ile karakterize edilen 100 nm (100'ün üzerinde). Elyaf formundaki malzemeler büyük pratik ve bilimsel öneme sahiptir. Yüksek özgül alan, esneklik ve yüksek mekanik mukavemet kombinasyonu, nanoliflerin günlük hayatımızda ve ayrıca araç ve havacılık uygulamaları için sert kompozitlerin imalatında kullanılmasına izin verir. Enerji ve çevre, dünyanın en önemli küresel sorunlarının başında gelmektedir. Nanoteknoloji, bu zorluklara enerji ve çevresel uygulamalar için optimize edilmiş fonksiyonel nanolifler üreterek yanıt veriyor. Nanofiber malzemeler, enerji dönüştürme ve depolama cihazlarının bileşenleri olarak kapsamlı bir şekilde incelenmiştir. Lityum iyon piller (LIB'ler), şarj edilebilir pil olarak, yüksek enerji yoğunlukları nedeniyle taşınabilir elektronik cihazlar ve elektrikli araçlar gibi farklı alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır, ancak sınırlı lityum kaynakları başka bir seçenek bulma arayışına neden olmaktadır. Sodyum iyon pillerin (SIB'ler) üretimi, düşük maliyetli ve yüksek sodyum kaynakları nedeniyle büyük ilgi görmektedir. Şarj edilebilir piller bir anot, bir katot, bir elektrolit ve bir ayırıcıdan oluşur. Anot olarak kullanılan geleneksel malzemelerin büyük hacimli genişleme, sızıntı, tozlaşma ve düşük iletkenlik gibi dezavantajları varken, karbon nanofiberler mükemmel iletkenlikleri, aşırı geniş yüzey alanı, yüksek gözenekliliği, mekanik esnekliği ve yapısal stabiliteleri nedeniyle elektrokimyasal enerji depolama cihazlarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Sodyum iyon pillerde elektrot olarak kullanıldıklarında kapasiteyi ve döngü performansını artırırlar. Bu malzemelerin performansı, malzeme türünden büyük ölçüde etkilenir; yapı; mekanik, kimyasal, termal kararlılık ve fiziksel özellikler önemlidir. Örneğin, yüzey alanı ve gözeneklilik artarsa, elektrolitin geçirgenliği artar, böylece elektrot daha yüksek sodyum depolama kapasitesi sağlayabilir ve elektrot, sodyum iyonları için daha kısa taşıma uzunluğuna sahip olacaktır. Heteroatom doping, nanoliflerin yüzey alanını ve gözenekliliğini arttırmanın en iyi yollarından biridir, bu nedenle sodyum iyonu eklemesini ve ayrılmasını yüksek oranlarda arttırır. Şimdiye kadar, kalay, demir, antimoni ve molibden gibi çeşitli malzemeleri kullanan kompozit karbon nanofiber, yüksek teorik kapasite, güvenlik ve düşük maliyet gibi iyi özelliklere sahip olduklarından, SIB'lerde anot malzemeleri olarak geniş çapta araştırılmıştır. Çalışmanın ilk bölümünde; santrifüj eğirme ile sodyum iyon piller için anot olarak karbon nanofiberlerin üretilmesi amaçlandı. PAN, yüksek karbon verimi, yüksek termal, kimyasal ve mekanik özelliklerinden dolayı karbon fiber öncüsü olarak kullanılmıştır. Ayrıca, karbon nanoliflerin gözenekliliğini arttırmak için PS, PAN ile karıştırılmıştır. Ayrıca, yüksek teorik spesifik kapasitesi, geniş spesifik yüzey alanı ve iyi elektronik iletkenliği nedeniyle LIB'lerin ve SIB'lerin elektrokimyasal performansını iyileştirmek için iki boyutlu petek yapılı grafen kullanıldı. Ayrıca, Molibden disulfit (MoS2) LIB'lerin ve SIB'lerin performansı ve elektrokimyasal kapasitesi üzerindeki etkisi araştırıldı. PAN/PS/grafen polimer karışımı çözeltisi DMF'de hazırlandı ve santrifüj eğirme sistemi kullanılarak eğrildi ve nanofiberler 4000 rpm dönme hızında, 60 ml/saat besleme hızında, 0.5 mm düse çapı ve 20 cm kollektör mesafesi ile üretildi. Nanolifler elde edildikten sonra harmanlanmış nanolifler, 5 ℃/dk ısıtma hızı ile 280 ℃ hava atmosferinde 2.5 saat stabilize edilmiş ve ardından 2 ℃/dk ısıtma hızı ile 800 ℃ azot atmosferinde 2 saat boyunca karbonize edilmiştir. Ayrıca, hidrotermal sentez yoluyla MoS2 ile kaplanmış grafen içeren gözenekli karbon nanofiberler üretildi. Morfoloji ve ortalama lif çapı SEM ile analiz edildi. TEM görüntüleri ile karbon nanoliflerin gözenekli yapısı gözlemlendi. Yapısal karakterizasyon için XRD ve Raman spektroskopisi kullanıldı. Gözenekli yapı elektrotların elektrokimyasal performansını artırdı. Ayrıca, MoS2 ile kaplanmış gözenekli karbon nanofiber, elektrokimyasal kapasiteyi Li-iyon hücrelerde 860 mAh/g'ye ve Na-iyon hücrelerde 455 mAh/g'ye kadar iyileştirdi ve mükemmel döngü performansı sağladı.

Özet (Çeviri)

Nanofibers are one of the most important nanomaterials and have many applications in diverse fields such as biomedical engineering, drug delivery, filtration, sensors, energy storage etc. due to their unique properties like high specific surface area, small diameters, uniform interconnected 3D porous structure and low weight. There are different types of techniques to produce nanofibers like self-assembly, drawing, melt-blowing, phase separation, electrospinning and centrifugal spinning. Due to special features of centrifugal spinning such as high production yield and safe production, it is one of the most promising methods to prepare nanofibers. In this technique, nanofibers are made by applying centrifugal force on polymer solution or melt by using a high-speed rotating spinneret which lead to form nanofibers on collectors. In centrifugal spinning method, the morphology of nanofibers is dependent on diverse processing parameters such as viscosity, surface tension, molecular structure, molecular weight, solution concentration, solvent structure, additive; and operational conditions such as rotational speed, feeding rate, nozzle diameter, and nozzle-collector distance. Energy and environment head the list of top global problems facing society in the twenty-first century. Nanotechnology is responding to these challenges by designing and fabricating functional nanofibers optimized for energy and environmental applications. Nanofiber materials have been extensively studied as constituent parts of energy conversion and storage devices. Lithium ion batteries (LIBs) are rechargeable batteries and have been widely used in different applications like portable electronic devices and electric vehicles due to their high energy density, however limited lithium sources lead to find another option. Production of sodium ion batteries (SIBs) are gaining great attention due to low-cost and high abundance of sodium resources. Rechargeable batteries consist of an anode, a cathode, an electrolyte and a separator. Conventional materials used as anode suffer from large volume expansion, leakage, pulverization and low conductivity whereas carbon nanofibers have been widely used in electrochemical energy storage devices because of their excellent conductivity, extremely large surface area, high porosity, mechanical flexibility and structural stability that will improve capacity and cycling performance when they are used as electrodes in sodium-ion batteries. The performance of these materials is greatly influenced by the material type; structure; mechanical, chemical, thermal stability and physical properties. For example, if the surface area and porosity increased, the permeation of the electrolyte increases, so the electrode can provide higher sodium storage capability and the electrode will have shorter transport length for sodium ions. Heteroatom doping is one of the best ways to increase the surface area and porosity of nanofibers so enhanced sodium ion insertion and desertion at high rates can be achieved. Until now, composite carbon nanofiber using various materials such as tin, iron, antimony and molybdenum have been widely investigated as the anode materials in SIBs, since they possess high theoretical capacity, environmental benignity, safety, and low cost. In the first part of the study; it was aimed to fabricate carbon nanofibers as anodes for sodium ion batteries via centrifugal spinning. PAN was used as carbon fiber precursor because of its high carbon yield, high thermal, chemical and mechanical properties. Also, PS was blended with PAN in order to increase the porosity of carbon nanofibers. Moreover, graphene with a two-dimensional honeycomb structure was used to improve the electrochemical performance of the LIBs and SIBs, due to its high theoretical specific capacity, large specific surface area, and good electronic conductivity. In addition, the effect of Molybdenum disulfide (MoS2) on performance and electrochemical capacity of LIBs and SIBs was investigated. PAN/PS/graphene polymer blend solution was prepared in DMF and centrifugally spun in order to obtain nanofibers. Nanofibers were fabricated at the rotational speed of 4000 rpm, feeding rate of 60 ml/h, with 0.5 mm nozzle diameter and 20 cm collector distance. After obtaining nanofibers, blend nanofibers were stabilized in air atmosphere at 280 ℃ for 2.5 h with a heating rate of 5 ℃/min and then carbonized in nitrogen atmosphere at 800 ℃ for 2 h with a heating rate of 2 ℃/min. Furthermore, MoS2 decorated graphene-containing porous carbon nanofibers were fabricated via hydrothermal synthesis. The morphology and average fiber diameter distribution were analyzed with SEM. Porous structure of the carbon nanofibers was observed via TEM images. XRD and Raman spectroscopy were used for structural characterization. Porous structure enhanced the electrochemical performance of electrodes. Furthermore, MoS2 decorated graphene included porous CNF improved the electrochemical capacity up to 860 mAh/g in Li-ion cells and 455 mAh/g in Na-ion cells with excellent cycling performance. In the second part of the study; it was aimed to fabricate carbon nanofibers by using water soluble polymers such as PVA and PVP. Considering environmental concerns, it is vital to fabricate carbon nanofibers from environmentally friendly materials. PVA/PVP nanofibers were fabricated via fast and safe centrifugal spinning. The effect of PVP content on the morphology and thermal properties of PVA/PVP blend nanofibers were studied by using SEM and DSC studies. Moreover, the effect of carbonization conditions including stabilization time, stabilization temperature, carbonization time, carbonization temperature on morphology and carbon yield was investigated.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    421060

    Electrospun carbon nanofiber based composites as anode material for lithium-ion batteries

    Lityum-iyon bataryalar için elektro eğirme yöntemiyle üretilmiş carbon nanolif tabanlı kompozit anot malzemeleri

    MAHMUT DİRİCAN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. HÜSEYİN KIZIL

  2. 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

    Türkçe

    2024

    Tekstil ve Tekstil Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALİ DEMİR

  3. Tez No

    599530

    Environmentally friendly components for energy storage devices

    Enerji depolama cihazlarında çevre dostu bileşenlerin kullanımı

    ELENA STOJANOVSKA

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ALİ KILIÇ

  4. Tez No

    835382

    Electrospun polyacrylonitrile based composite nanofibers containing polyindole and graphene oxide

    Poliindol ve grafen oksit içeren poliakrilonitril tabanlı kompozit nanofiberler

    İLKNUR BOZKAYA GERGİN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ABDÜLKADİR SEZAİ SARAÇ

  5. Tez No

    450632

    High capacity anode materials for lithium - ion batteries

    Lityum iyon pilleri için yüksek kapasiteli anot malzemeleri

    ÖMER ULAŞ KUDU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Enerjiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. EDA YILMAZ

Geri Dön