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
- Tez No: 762995
- Danışmanlar: DOÇ. DR. DAMLA EROĞLU PALA
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Boğaziçi Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 129
Özet
Lityum-Kükürt (Li-S) piller yüksek teorik özgül enerjisi ve enerji yoğunluğuna sahiptir ve katot içindeki oldukça karmaşık reaksiyon ve polisülfid mekik mekanizmalarının bir sonucu olarak hücre tasarımına duyarlıdır. Elektrolit-kükürt (E/S) oranı, karbon-kükürt (C/S) oranı, kükürt yüklemesi ve karbon tipi, pil performansı üzerinde kritik bir etkiye sahip olan tasarım parametreleridir. Bu çalışmada bu parametrelerin, Li-S pilinin deşarj kapasitesi, döngü performansı ve hücre ve sistem düzeyinde spesifik enerji ve enerji yoğunluğu arasındaki ilişkiyi belirlemek için deneysel karakterizasyon ve elektrokimyasal modellemeyi birleştiren entegre bir araştırma metodu uygulanmıştır. İlk olarak, E/S oranının etkisi incelenmiştir; en yüksek başlangıç deşarj kapasitesi 20 µl mg-1 E/S oranı ile elde edilirken, en iyi kapasite korunumu 13 µl mg-1 için gözlenmiştir. Sonuç olarak, 13 µl mg-1'lik bir E/S oranı, E/S oranının sadece en yüksek deşarj kapasitesi ve kapasite korunumu üzerindeki etkisi olarak değil, aynı zamanda hücre ve sistem seviyesi performansı üzerindeki etkisi olarak en iyi performansı sunmuştur. İkinci olarak, C/S oranının etkisi araştırılmıştır; C/S oranı 2 ve E/S oranı 13 μl mg-1 olan Li-S hücresi, en iyi kapasite korunumuna ek olarak en yüksek başlangıç kapasitesini sağlamıştır. Model tahminleri, artan C/S oranının, özellikle düşük E/S oranlarında, sistem düzeyinde pil ölçümlerini kötüleştirdiğini göstermektedir. Son olarak, farklı karbon tipi ve kükürt yüklemesine sahip Li-S hücreleri incelenmiştir. AB içeren Li-S hücrelerinin kapasite tutmasının S yüklemesinden etkilenmediği, ancak Super C65'li Li-S hücrelerinin kapasite korunumunun daha yüksek S yüklemelerinde yüksek olduğu görülmüştür. (KB) ile hazırlanmış Li-S hücreleri büyük yüzey alanları olmasına rağmen yüksek S yüklemelerinde iyi performans elde edememiştir. Super C65'in en iyi sistem performansına sahip olduğu öngörülmüştür. Orta seviyedeki S yüklemelerinde, deşarj kapasiteleri maksimum olduğundan hem AB hem de Super C65 katotlu Li-S hücreleri, sistem düzeyinde en yüksek değerleri elde etmiştir.
Özet (Çeviri)
Lithium-sulfur (Li-S) batteries provides high theoretical specific energy and energy density and their performance is greatly sensitive to cell design as a result of the highly complex reaction and polysulfide shuttle mechanisms within the cathode. Electrolyte-to-sulfur (E/S) ratio, carbon-to-sulfur (C/S) ratio, sulfur loading and carbon type are vital design parameters with a critical influence on the battery performance. Here, an integrated research methodology coupling experimental characterization and electrochemical modeling was applied to forecast the relation between the key design parameters and the discharge capacity, cycling performance and cell- and system-level specific energy and energy density of the Li-S battery. Firstly, the effect of the E/S ratio was examined; the highest initial discharge capacity was achieved with an E/S ratio of 20 μl mg−1, whereas, the best capacity retention was observed for 13 μl mg−1. Consequently, an E/S ratio of 13 μl mg−1 presented the best performance as the impact of the E/S ratio not only on the peak discharge capacity and capacity retention but also on cell- and system-level performance were considered. Secondly, the influence of the C/S ratio was investigated; the Li-S cell having a C/S ratio of 2 and an E/S ratio of 13 μl mg-1 has provided the highest initial capacity in addition to the best capacity retention. Model predictions suggested that increasing the C/S ratio worsens the battery metrics at the pack level at low E/S ratios. Finally, Li-S cells with different carbon type and sulfur loading were studied. The capacity retention of Li-S cells with AB (Acetylene Black) was unaffected by the S loading, but Li-S cells with Super C65 retain capacity at higher S loadings. Li-S cells with KB (Ketjen Black) were unable to attain good performance at higher S loadings, which was surprising given their significantly larger surface area. Super C65 was projected to have the best pack performance. At medium S loadings, when discharge capacities are maximized, Li-S cells with both AB and Super C65 cathodes attain the greatest system-level metrics.
Benzer Tezler
- Characterization of the effect of critical cathode design parameters on the lithium sulfur cell resistance using electrochemical impedance spectroscopy
Li-S bataryalarında kritik katot tasarım parametrelerinin hücre resistansına etkisinin elektrokimsayal empedans spektroskopisi kullanarak karakterizasyonu
AYŞEGÜL KARAKUŞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Kimya MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ DAMLA EROĞLU PALA
- Modelling formation of fuel-in-oil due to post injections in diesel applications
Dizel motorlarda art püskürtmeler sebebiyle yağ seyrelmesi oluşumunun modellenmesi
MURAT GÖNÜL
Doktora
İngilizce
2021
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. OSMAN AKIN KUTLAR
- Effect of electrolyte-to-sulfur ratio on the performance of lithium-sulfur batteries with different electrolyte systems
Farklı elektrolit sistemlerinde elektrolit-sülfür oranının lityum-sülfür batarya performansına etkisi
AYÇA FIRTIN
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
EnerjiBoğaziçi ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. DAMLA EROĞLU PALA
- Stochastic prediction of collapse of building structures under seismic excitations
Başlık çevirisi yok
DERYA DENİZ
Doktora
İngilizce
2014
Deprem MühendisliğiUniversity of Illinois at Urbana-ChampaignDr. JUNHO SONG
Prof. JEROME F. HAJJAR
- Elektroçekim yöntemi ile üretilen nişasta biyopolimerinin mekanik özelliklerinin tayini ve geliştirilmesi
Determination and development of mechanical properties of starch biopolymer produced by electrospinning method
AYŞE FEYZA ARSLAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Tekstil ve Tekstil MühendisliğiMarmara ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEVHAN MÜGE YÜKSELOĞLU