Preparation and characterization of polyacrylonitrile-based quasi-solid-state electrolytes for lithium-ion battery applications
Lityum-iyon pil uygulamaları için poliakrilonitril bazlı yarı katı hal elektrolitlerin hazırlanması ve karakterizasyonu
- Tez No: 850150
- Danışmanlar: PROF. DR. NİLGÜN KARATEPE YAVUZ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Enerji, Energy
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Enerji Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Enerji Bilim ve Teknoloji Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 97
Özet
Lityum-iyon pilin taşınabilir elektronik cihaz, elektrikli araç, şebeke ölçeğinde enerji depolama gibi çeşitli uygulamalarda kullanılması, güvenlik konusunu göz önünde bulundurulması gereken temel özelliklerinden biri yapmıştır. Güncel olarak lityum-iyon pillerde kullanılmakta olan sıvı elektrolitler ile bunların içeriklerindeki organik çözücüler sızıntı, yanma, patlama gibi bazı tehlikeleri oluşturmaktadır. Bunun yanı sıra, 2030 yılı itibariyle toplam lityum-iyon pil talebinin yaklaşık olarak 4,700 GWh olması ve bu talebin büyük bir kısmının ait olacağı elektrikli araçların pil başına 500 Wh/kg'dan fazla enerji yoğunluğuna sahip olması öngörülmektedir. Enerji yoğunluğunu arttırmayı sağlamanın başlıca yollarından biri pil yapısında yüksek kapasiteli katot malzemelerini uygulamaktır. Ancak, bu alternatif pil tasarımları yine sıvı elektrolitlerle ilişkilendirilebilecek şekilde kısa devre, termal kaçak, aşırı ısınma gibi olası problemlere yol açmaktadır. Tüm bu durumlar değerlendirildiğinde, elektrolit konusuna farklı bir bakış açısıyla yaklaşmak gerektiği anlaşılmıştır. Bu bağlamda, katı ve yarı katı haldeki elektrolitler, pil içeriğinde organik çözücü kullanımını tamamen ya da kısmen ortadan kaldırdıkları için, alternatif yaklaşım olarak ön plana çıkmaktadırlar. Özellikle jel formdaki elektrolitler, geleneksel sıvı elektrolitli pillerden tamamen katı haldeki pillere bir geçiş aşaması olarak yorumlanmaktadır. Yüksek güvenliğe sahip olmasına karşın, düşük iyonik iletkenlik başta olmak üzere görece zayıf performans özellikleri sergileyen katı polimer elektrolitler yerine, işlenebilirliği daha kolay olan jel polimer elektrolitler lityum-iyon pil konusunda son dönemde üzerine çalışmalar yapılan bir alt başlık olmuştur. İçeriğine plastikleştirici madde eklenen katı polimer malzemeler jel yapıya dönüşerek daha yüksek iyonik iletkenlik göstermekte olup, yine söz konusu bu plastikleştirici maddelerin neden olduğu mekanik kararsızlık çeşitli inorganik seramik dolgu malzemeleri kullanılarak kompanse edilebilmektedir. Bu türdeki elektrolit modeller kompozit jel polimer elektrolit olarak literatürde yer almaktadır. Bu tez çalışmasında, değişen oranlı bileşenlerden oluşan jel ve kompozit jel polimer yapıdaki elektrolitler, çözelti döküm tekniği ile elde edilen polimer filmlerin sıvı elektrolitte belirli bir süre boyunca bekletilmesi yöntemiyle hazırlanmıştır. Polimer malzeme olarak poliakrilonitril (PAN) ve plastikleştirici malzeme olarak polietilen glikol (PEG) jel ve kompozit jel elektrolitlerde kullanılan ortak bileşenler olup, kompozit jel polimer elektrolitlerde ek olarak silikon dioksit (SiO2) dolgu malzemesi kullanılmıştır. Eşit hacimli etilen karbonat, dietil karbonat ve dimetil karbonat organik çözücü karışımında çözünmüş lityum hekzaflorofosfat tuz çözeltisi (1M LiPF6-EC/DEC/DMC (hacimce 1:1:1)) çalışmada sıvı elektrolit olarak kullanılmıştır. Deneysel çalışmanın tamamı birbirini izleyen iki ana alt çalışma olarak gerçekleştirilmiştir. İlk çalışmada jel polimer elektrolitlerle ikinci çalışmada ise kompozit jel polimer elektrolitlerle ilgili testler yürütülmüştür. İlk adımda PAN ve PEG, dimetilformamid (DMF) polimer çözücüsünde çözünmüş ve 24 saat boyunca aralıksız karıştırılarak homojen çözeltiler elde edilmiştir. Bu basamakta PAN polimerinin çözeltideki kütlece yüzdesi sabit tutulup PEG yüzdesi değiştirilerek farklı kompozisyonlarda çözeltiler oluşturulmuştur. Daha sonra bu çözeltiler cam Petri kaplarına dökülmüş ve çözücü uçana kadar oda sıcaklığında bekletilmiştir. Elde edilen polimer filmler 15 mm çaplı diskler halinde kesildikten sonra 2 gün boyunca sıvı elektrolit içerisinde bekletilmiş ve jel formdaki elektrolitler hazır hale getirilmiştir. Hazırlanan jel polimer elektrolitler, Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi (FTIR) yöntemi ile yapısal ve termogravimetri/diferansiyel taramalı kalorimetri (TG/DSC) analizleri ile ısıl olarak karakterize edilmiştir. TG analizi kapsamında en yüksek bozunma sıcaklığı 339.8 °C ile en düşük oranda PEG içeren elektrolit için tespit edilmiştir. Bu elektrolitlerin oda sıcaklığındaki iyonik iletkenlikleri elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) yöntemi ile ölçülmüş olup en yüksek değer en fazla miktarda PEG içeren örnek için ve 5.56×10-3 S/cm olarak hesaplanmıştır. Elektrolitlerin Li+ iyon transfer sayıları, EIS ve kronoamperometri tekniklerinin kullanılmasıyla elde edilen parametrelerle hesaplanmış olup artan PEG miktarı ile ters orantı göstermiştir. En iyi oksidasyon kararlılığı en yüksek iyonik iletkenliği de gösteren elektrolit örneği için 4.5 V u aşan düzeyde ve doğrusal taramalı voltametri (LSV) yöntemi kullanılarak ölçülmüştür. İlk aşamadaki test sonuçları değerlendirilerek başlatılan ikinci aşamada, PEG oranının sabit tutulup dolgu malzemesi oranının değiştirildiği bir çalışma yürütülmüştür. Kompozit yapılı jel polimer elektrolitler için polimer çözeltisi hazırlama sırasında karışıma ek olarak SiO2 dolgu malzemesi eklenmiştir. FTIR ve TG/DSC karakterizasyonları kompozit elektrolit örnekleri için de uygulanmıştır. En yüksek bozunma sıcaklığı 305.9 °C olarak ölçülmüştür. Bu elektrolitlerden yine EIS yöntemi kullanılarak 7.00×10-3 S/cm gibi oldukça iyi bir iyonik iletkenlik ölçümü yapılmıştır. En yüksek Li+ iyon transfer sayısı ise PEG içermeyen elektrolit örneğinde olduğu gibi 0.89 olarak bulunmuştur. Elektrokimyasal kararlılık konusunda ise iki kompozit jel polimer elektrolit örneğinin 5 V u geçecek düzeyde oksidasyon kararlılığı gösterdiği tespit edilmiştir. Jel polimer elektrolitler için uygulanan testlerden farklı ve son çalışma olarak, uygun bulunan iki kompozit jel polimer elektrolit örneği, hazırlanan lityum kobalt oksit katot malzemesi ile birlikte yarı hücrede kullanılmış ve galvanostatik şarj-deşarj çevrim testine tabi tutulmuşlardır. Elektrolitlerin ilk çevrim profilleri oluşturulmuş ve karşılaştırılmıştır. Buna göre, bir hücrenin şarj kapasitesi diğerini neredeyse ikiye katlamış ve diğerinin şarj-deşarj eğrileri birbirine daha yakın çıkmıştır. Şarj kapasitesi ile ilgili olan ilk durum yüksek iyonik iletkenliğin bir sonucu olup iyonik iletkenliği 7.00×10-3 S/cm olarak ölçülen elektrolit örneği ile oluşturulan yarı hücre için elde edilmiştir. Şarj-deşarj eğrileri birbirine daha yakın olan yarı hücrenin durumu ise elektrokimyasal kararlılığı 5 V un üzerinde olan kompozit jel polimer elektrolite dayandırılmaktadır. Sonuç olarak, çalışma kapsamında hazırlanarak karakterize edilen ve birtakım elektrokimyasal testlere tabi tutulan polimer bazlı jel ve kompozit jel elektrolitlerin lityum-iyon pil çalışmalarında kullanmak için potansiyel aday olabilecekleri değerlendirilmiştir. Konuyla ilgili sonraki çalışmalar, çoklu şarj-deşarj çevrim testleri ve deşarj kapasitesinin geliştirilmesi ile ilgili olmalıdır. Bu amaçla, farklı oranlarda dolgu malzemesi içeren daha fazla sayıda elektrolit örneği hazırlama, dolgu malzemesine yüzey modifikasyonları uygulama, farklı bir sıvı elektrolit kullanma, aynı ya da farklı türde bir lityum tuzunu polimer çözeltisi hazırlama kısmında elektrolit içeriğine dahil etme vb. stratejilerle ileri çalışmalar yürütülebilir.
Özet (Çeviri)
The use of lithium-ion battery in various energy storage applications, e.g. portable electronic devices, electric vehicles and power grids, has made the safety matter one of its key features to consider. The conventional liquid electrolytes of the lithium-ion batteries pose a number of hazards such as leakage, fire, explosion, etc. In this regard, solid-state and quasi-solid-state electrolytes provide an alternative approach as they partially or fully eliminate the organic solvent usage in the battery. Particularly, gel electrolytes are considered as the transition stage between the conventional liquid and all-solid-state electrolytes. In the study, gel polymer and composite gel polymer electrolytes with different compositions were prepared via the solution casting method and following immersion in the liquid electrolyte. The polymer host polyacrylonitrile (PAN) and the plasticizer polyethylene glycol (PEG) are the main components in common while the filler material silicon dioxide (SiO2) is only found in the composite gel electrolytes. Lithium hexafluorophosphate solution in organic solvent mixture of ethylene carbonate, diethyl carbonate and dimethyl carbonate (1M LiPF6 in EC/DEC/DMC=1:1:1 (v/v/v)) was used as the liquid electrolyte. The prepared electrolytes were structurally and thermally characterized by the Fourier transform infrared spectroscopy method and thermogravimetry/differential scanning calorimetry analysis, respectively. First of all, the room temperature ionic conductivity was estimated via electrochemical impedance spectroscopy (EIS), and the highest value of 5.56×10-3 S/cm was measured for a gel polymer electrolyte while the value of 7.00×10-3 S/cm was obtained for a composite gel polymer electrolyte. Moreover, the highest Li+ ion transference number among all the electrolytes was calculated as 0.89 through EIS and chronoamperometry techniques. Furthermore, electrochemical stabilities of the electrolytes were determined by applying linear sweep voltammetry method. One of the gel polymer electrolytes exhibited oxidative stability reaching above 4.5 V, and two of the composite gel polymer electrolytes showed oxidative stability exceeding 5 V. Lastly, these two composite gel polymer electrolytes were used in the half-cell design, and the initial galvanostatic charge-discharge cycle performance of those cells were evaluated and compared. In conclusion, the gel and composite gel polymers, that were prepared, characterized and subjected to a number of electrochemical battery tests within the scope of the study, were assessed as the potential candidates to be used in the future lithium-ion battery studies. Further studies on this topic would be on multiple charge-discharge cycle tests and on increasing the discharge capacity.
Benzer Tezler
- Preparation and characterisation of polyacrylonitrile based nanofibers by electrospinning
Poliakrilonitril bazlı nanoelyafların elektroeğirme yöntemi ile üretimi ve karakterizasyonu
YAVUZ SELİM ŞAHİNTÜRK
- Hemodiyaliz amaçlı poliakrilonitril membranlar hazırlanması
Preparation of polyacrylonitrile membranes for hemodialysis application
GAMZE BEHMENYAR
Yüksek Lisans
Türkçe
1997
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BİRGÜL TANTEKİN (ERSOLMAZ)
- Preparation and characterization of nanofibers for energy applications
Enerji uygulamaları için nanofiberlerin hazırlanması ve karakterizasyonu
GÖKTUĞ CİHANBEYOĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MELTEM YANILMAZ
- 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
- Synthesis, characterization and applications of fluorine containing maleimide polymers
Flor içeren maleimid polimerlerinin sentezi, karakterizasyonu ve uygulamaları
İPEK KAYALI
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. TUBA ÇAKIR ÇANAK