Synthesis of silicon-graphene composite anode via magnesiothermic reduction of silica fume for high-performance lithium-ion batteries
Yüksek performanslı lityum-iyon bataryalar için silisyum-grafen kompozit anot malzemesinin silika dumanının magneziotermik yolla indirgenmesi ile sentezlenmesi
- Tez No: 826925
- Danışmanlar: PROF. DR. REHA YAVUZ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 91
Özet
Lityum-iyon piller, küresel enerji depolama talebi arttıkça önem kazanmaktadır. Lityum-iyon piller, sadece performans açısından değil, aynı zamanda sürdürülebilirlik açısından da dünyayı iyileştirir bir niteliğe sahip bulunmaktadır. Tüm dünya, sürdürülebilir bir yeşil geleceğe doğru işbirliği yapmakta iken, enerji verimliliği, hem sektör hem de akademik çalışma alanının ana odak noktası durumundadır ve daima da olacaktır. 2050 yılında gerçekleşmesi planlanan net sıfır karbon emisyon hedefine doğru, karbon salınımı yapmakta olan uygulamaların ya tamamen kapatılmaları ya da karbon yakalama ve yeniden kullanma gibi sürdürülebilir bir işletmeye sahip olmaları gerekmektedir. 2050 yılına kadar net sıfır değerine ulaşılması hedefi, içten yanmalı araç kullanımını tamamen ortadan kaldırmaktır. Birçok ülke, 2035 yılından itibaren içten yanmalı motorlu araç üretmeyeceğini açıklamış bulunmaktadır. Bununla birlikte, tamamen elektrikli araçlara geçiş hedefine ulaşılmadan önce ele alınması gereken birçok sorun bulunmaktadır. Elektrikli araç sektörünün karşılaştığı en büyük sorunlardan birisi, menzil sorunudur. Mevcut elektrikli araçlar, tam dolu bir batarya ile içten yanmalı bir aracın tam dolu bir tankıyla aynı menzile sahip olma yeteneğine sahip bulunmamaktadır. Bir diğer sorun, şarj süresi sorunu olup, şarj süreleri, hızlı şarj cihazıyla bile bir saate kadar sürebilmektedir; ki bu durum da nadirdir. Söz konusu bu sorunların aşılması amacıyla, enerji yoğunluğunu ve güç yoğunluğunu artırmak üzere yeni araştırmaların gerçekleştirilmesi gerekmektedir. Bunlar, son kullanıcıları ilgilendiren ana sorunlar olup, üreticilerin karşılaştığı daha fazla ve çoğu da çevresel bakımdan zararlı nitelikli sorunlar mevcut bulunmaktadır. Bunlara ilave olarak, talebi karşılamak için elektrik arzı da artmış bulunmaktadır. Bu amaçla, yıllar içinde kurşun-asit piller, nikel kadmiyum piller ve nikel metal hidrat piller gibi çeşitli enerji depolama sistemleri geliştirilmiş ve kullanılmıştır. Kurşun-asit piller, halen içten yanmalı araçlar, güneş enerjisi depolama vb. gibi birçok alanda kullanılmakta olup, mevcut durumda büyük bir pazara sahip bulunmaktadır. Kurşun-asit pillerin başlıca sorunu, enerji yoğunluğunun 50 Wh/kg değerinden daha az olmasıdır; söz konusu bu durum da, daha küçük alanlar ve hafiflik gerektirmekte olan uygulama alanlarında kullanılamamasına yol açmaktadır. Her yerde ve her zaman kullanılabilen mobil enerji depolama sistemlerinin talebini karşılamak, lityum-iyon pillerinin keşfini ve ticarileştirilmesini ortaya çıkarmış bulunmaktadır. Lityum-iyon piller ilk olarak John B. Goodenough tarafından keşfedildi ve bu keşif daha sonra ona Nobel ödülü kazandırdı. SONY tarafından 1991 yılında piyasaya sürülmesinin ardından ticari bir ürün haline geldi. Kurşun-asit piller gibi enerji depolama ihtiyacına yönelik diğer çözümler olmasına rağmen, lityumun -3.04V olan standart hidrojen potansiyeli onu pil uygulamaları için en umut verici element haline getirdi. Lityum-iyon pillerin verimliliğini, enerji yoğunluğunu, güç yoğunluğunu ve dayanıklılığını artırmak için daha fazla çalışma ve araştırma yapılmaktadır. Lityum pillerin ısıl patlama gibi diğer yönleri de incelenmektedir. Aşırı ısınmayı aşmak ve potansiyel olarak ısıl patlamaya neden olmayı önlemek için piller, çalışma koşullarını optimize etmek için hem hücre bazında hem de paket bazında modellemeler yapılmaktadır. Ayrıca, pil malzemelerinin ve bileşenlerinin işlenebilirliği ve geri dönüşümleri konusunda araştırmalar da bulunmaktadır. Bir temel lityum-iyon bataryanın 3 ana bileşeni vardır. Deşarj sonrası lityum iyonlarını depolamak için bir anot (negatif elektrot), lityum tuzunu içermek için bir katot (pozitif elektrot) ve sadece lityum iyonlarının elektrotlar arasında hareket etmesine izin veren bir ayırıcı. İyonların taşınabileceği bir ortam sağlamak için elektrolit gibi diğer bileşenler de bulunur, ayrıca negatif taraf için bakır gibi akım toplayıcıları ve pozitif taraf için alüminyum gibi malzemeler kullanılır. Deşarj işlemi sırasında, katodun lityum atomları lityum iyonlarına dönüştürülür ve değerlik elektronlarını alüminyum akım toplayıcısına kaybederler. Lityum iyonları hücre içindeki ayırıcı aracılığıyla anoda taşınırken, elektronlar alüminyum akım toplayıcısından bakıra dış elektrik devresi aracılığıyla hareket ederler. Şarj işlemi sırasında tam tersi reaksiyon meydana gelir. Tipik bir Nikel Mangan Kobalt (NMC) Lityum-İyon Pili'nde, katot malzemesi lityum, nikel, manganez, kobalt ve oksijen içerir. Katot tarafında aşağıdaki reaksiyon gerçekleşir. Lityum-iyon pillerde kullanılan malzemelerin, sürdürülebilirliğe katkıda bulunmak amacıyla atık veya organik malzemelerden sentezlenmesi gerekmektedir. Bu çalışmadaki amacımız, silisyum ve grafen malzemelerini içermekte olan lityum-iyon anotlar için yeni bir kompozit malzemenin sentezlemesidir; bu amaçla atık nitelikli silis dumanı, silisyum sentezi için de kaynak olarak kullanılmış bulunmaktadır. Silisyum ilavesi, batarya anot kısmının enerji ve güç yoğunluğunu artırırken, silis dumanının silisyum kaynağı olarak kullanılması, sürdürülebilirliğe katkıda bulunmaktadır. Bu süreçte, silis dumanı içerisinde %83 mertebesinde bulunmakta olan silika (SiO2) öncelikle HCl ile işleme tabi tutulmakta suretiyle diğer metallerin uzaklaştırılma esaslı daha fazla saflaştırılmış olup, ardından magneziotermik indirgeme işlemi gereğince de SiO2 içeriği metalik silisyuma dönüştürülmüştür. Elde edilen nihai ürünün XRD pikleri incelendiğinde, ticari nano-silisyum ile uyuşmakta olduğu gözlemlenmiş bulunmaktadır. Ürünün XRD pikleri daha dikkatli incelendiğinde indirgeme öncesinde geniş pikler verirken indirgeme sonrası piklerin keskinleştiği görülmüştür, bu durum da amorf halde olan silikanın indirgeme sonrası kristal yapıya geçtiğini belirtmektedir Kompozit malzemenin sentezlenmesi sürecinde kullanılmış bulunan bir diğer malzeme olan grafen, grafit kullanılmak suretiyle Modifiye Hummer's yöntemi gereğince sentezlenmiş bulunmaktadır. Elde edilen grafen oksit malzemesi, XRD, Raman spektroskopisi, elemental analiz ve SEM karakterizasyon yöntemleri gereğince karakterize edilmiştir. Söz konusu sonuçlar üzerinden, 0.852 nm katman aralığına sahip çoklu tabaka yapılı grafen oksit malzemesinin sentezlenmiş olduğu görülmüştür. Silisyum, ticari olarak kullanılmakta olan grafit malzemesine göre çok daha yüksek bir kapasiteye sahip olmakla birlikte, genleşme ve pulverizasyon problemleri nedenleriyle anot kısmında tek başına kullanılamamaktadır. Bu nedenle tez çalışması kapsamında silisyum, söz konusu bu olumsuz etkileri azaltmak amacıyla, karbon türevli olan ve grafite göre çok daha yüksek yapısal dayanıma ve lityum kapasitesine sahip bulunmakta olan grafen ile uygun nitelikli bir kompozit malzeme haline getirilmek suretiyle kullanılmış bulunmaktadır. Kompozit oluşturma süreci, çözelti bazlı gerçekleştirilmiştir. Alkol içerisinde çözülüp, sonikasyon işlemine tabi tutulmuş olan grafen oksit ve silisyum, grafen oksidi indirgemek ve silikonun grafen içerisine daha iyi yedirilmesini/dağılmasını sağlayabilmek amaçlarıyla, akabinde termal işleme maruz bırakılmıştır. Kompozit anot malzeme ile hazırlanan yarı hücre, çevrimsel voltametri, elektrokimyasal impedans spektroskopisi ve çevrimsel şarj-deşarj testlerine maruz bırakılmıştır. Şarj-deşarj testleri sonucunda, 9 çevrimden sonra bile söz konusu kompozit malzemenin, 1200 mAh/g kapasite değerine sahip olduğu belirlenmiştir. Çevrimsel voltametri verilerindeki çizgilerin üst üste binmiş olması, reaksiyonun tersinir nitelikli olduğunu göstermiş bulunmaktadır. İmpedans spektroskopisi üzerinden elde edilmiş bulunmakta olan veriler ışığında da, 9 çevrim sonrasındaki iç direnç, 60.4 mOhm olarak belirlenmiştir. Söz konusu bu bulgular, bu çalışmada sentezlenmiş bulunmakta olan kompozit malzemenin, literatürdeki rakiplerine göre oldukça iyi nitelikli bir anot malzeme adayı olduğu hususunu oraya koymaktadır.
Özet (Çeviri)
Lithium-ion batteries are becoming crucial due to increasing global energy storage demands, benefiting performance and sustainability. As the world strives for a sustainable future and net-zero carbon emissions by 2050, there's a focus on energy efficiency, including transitioning away from internal combustion cars. Electric vehicles face challenges like limited range and long charging times, requiring research to enhance energy and power density. Commercially, graphite is used as the anode material for li-ion batteries but it has low capacity (372 mAh/g) while silicon has 4200 mAh/g capacity. Silicon has an enlargement problem and causes pulverization, therefore environmentally friendly materials are vital, and our study aims to synthesize a sustainable lithium-ion anode composite with silicon and graphene to boost energy and power density while contributing to sustainability. The silicon (Si) in this study was synthesized from silica fume in order to contribute to sustainability by using a waste product as the material source. Firstly, the silica fume was leached with acid and then subjected to magnesiothermic reduction to produce silicon metal because silicon has a higher specific capacity than silica. Graphene oxide (GO) was also synthesized from graphite by incorporating Modified Hummer's method. As a result of this reaction, multi-layered graphene oxide with a plate spacing of 0.852 nm was achieved. The resulting active material for battery anode was prepared with a composition of 1:1 Si:GO ratio. Characterization of graphene oxide, synthesized silicon and Si/rGO composite materials were carried out by X-ray diffraction (XRD), Raman spectroscopy, Fourier-transform infrared (FTIR) spectroscopy, Scanning electron microscope (SEM), elemental and Thermogravimetric analyzer. Electrochemical characterization for the material was also done by a half cell formation. Conducted tests were cyclic voltammetry (CV), electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and cyclic charge-discharge (CCD) tests. As the result of these tests, CV analysis showed that the working voltage of the battery was in optimum condition and the fact that the lines were overlapping each other meant that the reaction was reversible. In the EIS test, it was observed that the internal resistance of the battery was as low as 55 mOhm even after 9 cycles. CCD tests revealed that the battery held its capacity at over 1200 mAh/g after 9 cycles, which is much greater than 372 mAh/g theoretical capacity of current commercial graphite anodes.
Benzer Tezler
- Grafen/kalay esaslı nanokompozitlerin lityum iyon pillerde anot malzemesi olarak kullanımının incelenmesi
Investigation of the use of graphene/tin based nanocomposides as anode material in lithium ion batteries
SELİN ALP
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. REHA YAVUZ
- 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
2024
Tekstil ve Tekstil Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ DEMİR
- Development of novel thermal conductive polymer nanocomposites
Yeni nesil termal iletken polimer nanokompozitlerin geliştirilmesi
ELİFTEN SEMERCİ
Doktora
İngilizce
2021
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NİLGÜN KIZILCAN
DOÇ. DR. TUBA ERDOĞAN BEDRİ
- Mangan oksit bazlı monodispers-gözenekli mikrokürelerin sentezi ve enerji bazlı uygulamaları
Synthesis and energy based applications of monodisperse-porous manganese oxide based microspheres
RUKİYE BABACAN TOSUN
Doktora
Türkçe
2023
EnerjiHacettepe ÜniversitesiNanoteknoloji ve Nanotıp Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SÜLEYMAN ALİ TUNCEL
- Sodyum iyon pillerde katot olarak kullanılabilecek prusya mavisi analoglarının sentezlenmesi, karbon kompozitlerinin üretilmesi ve performanslarının elektrokimyasal ve In Silico olarak araştırılması
Synthesis of prussian blue analogues, production of carbon composites and electrochemical and In Silico investigation of their performance in sodium ion batteries
BERKAY SUNGUR