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
- Tez No: 877530
- Danışmanlar: DOÇ. DR. DAMLA EROĞLU PALA
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Enerji, Kimya Mühendisliği, Energy, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Boğaziçi Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 107
Özet
Yeni nesil batarya sistemleri için umut vadeden alternatiflerden biri olan lityum-sülfür (Li-S) bataryaları, yüksek teorik enerji yoğunluğu ve kapasitesi nedeniyle yoğun araştırma konusu olmuştur. Kompleks mekanizması nedeniyle Li-S bataryalarının performansı malzeme ve hücre tasarım parametreleriyle, özellikle de elektrolit tasarımı ile yakından ilişkilidir. Bu çalışmada da , elektrolit tasarım parametresi olarak farklı elektrolit sistemlerinde elektrolit-sülfür (E/S) oranının batarya performansına olan etkisi incelenmiştir. Tasarım parametrelerinin batarya performansına olan etkisini inceleyebilmek için ilk olarak galvanostatik döngüleme ve elektrokimyasal empedans spektroskopi (EIS) yöntemleri kullanılarak deneysel karakterizasyon yapılmıştır. Deneysel çalışmada yedi farklı elektrolit tipinde 4 farklı E/S oranı (6 µL/mg, 9 µL/mg, 16 µL/mg ve 23 µL/mg) kullanılarak galvonastatik döngüleme metodu ile batarya performansı incelenmiştir. Genel olarak, yüksek elektrolit miktarı batarya kapasitesini olumsuz etkileyen polisülfid mekik mekanizmasını arttırdığı için yüksek E/S oranına sahip pillerde performans iyi değilken düşük E/S oranı olan 6 µL/mg, daha iyi performans gözlemlenmiştir. Ayrıca EIS metodu ile iki farklı E/S oranın, 6 µL/mg ve 9 µL/mg, batarya resistansına etkisi incelenmiştir. Deneysel çalışmanın yanı sıra, E/S oranının batarya performansına olan etkisini mekanistik olarak anlayabilmek için sıfır boyutlu tek boyutlu elektrokimyasal modeller geliştirilmiştir. Sonuç olarak 0-D modeli ile elektrolit miktarının etkisi teorik olarak beklenileni karşılamaktadır; E/S oranın azalmasıyla birlikte kapasite de azalır. Farklı elektrolit sistemlerinde E/S oranın etkisini inceleyebilmek için, belirlenen model parametreleri sistematik bir şekilde değiştirilmiştir. Her iki modelde de farklı kS8 değerlerinde E/S oranın değişmesiyle farklı trendler elde edilmiştir. Sonuç olarak iki model de kS8 değişimi ile farklı elektrolit sistemleri için E/S oranın batarya deşarj davranışına olan etkisi yakalayabilmektedir. Bu çalışmadan da anlaşılacağı üzere elektrolit miktarını batarya performansına olan etkisi elektrolit tipine göre farklılık göstermektedir.
Özet (Çeviri)
Lithium-sulfur (Li-S) batteries, one of the most promising alternatives for next-generation battery systems, have been a top research topic due to their high theoretical specific capacity and energy density. In Li-S batteries, battery performance is closely tied to certain materials and cell design parameters, particularly electrolyte design, due to the complex mechanisms in the cell. Herein, the effect of the electrolyte-to-sulfur (E/S) ratio, a critical electrolyte design parameter, on the performance of the Li-S batteries is investigated with various electrolyte systems. In order to understand the effect of the design parameters on battery performance, at first, experimental characterization is conducted by using galvanostatic cycling and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). In the experimental study, seven different types of electrolytes with four different E/S ratios of 6 µL/mg, 9 µL/mg, 16 µL/mg, and 23 µL/mg are used. In general, the lowest E/S ratio, 6 µL/mg, has a better performance compared to the highest E/S ratio because the high amount of electrolyte escalates the polysulfide shuttle mechanism, affecting the battery performance adversely. In addition, EIS characterization is used to investigate the resistance of cells with an E/S ratio of 6 µL/mg and 9 µL/mg. Then, zero-dimensional and one-dimensional electrochemical models are developed to mechanistically study the effect of the E/S ratio on the discharge profile. The 0-D model can capture the expected trend of the variance of the discharge profile with changing E/S ratio; the capacity decreases significantly with decreasing E/S ratio. To model the impact of the E/S ratio on the discharge profile of Li-S for different electrolyte systems, selected model parameters were changed systematically. At the different values of kS8, both the 0-D and 1-D models predict other trends for the dependence of discharge profiles on the E/S ratio. Consequently, both models can capture the effect of the E/S ratio on the discharge behavior for different electrolyte systems implicitly through the variation of kS8. It is seen clearly from this study that the impact of the electrolyte amount on battery performance changes according to the types of electrolytes.
Benzer Tezler
- Effect of electrolyte/sulfur ratio in the cathode on the electrochemical performance of Li-S batteries
Katotta elektrolite sülfür oranının lityum-sülfür bataryalarının elektrokimyasal performansına etkisi
NUR BER EMERCE
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Kimya MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÖRKEM KÜLAH
YRD. DOÇ. DR. DAMLA EROĞLU PALA
- Modeling the effect of electrolyte on the lithium sulfur battery performance
Elektrolit özelliklerinin ve miktarının lityum - kükürt batarya performansı üzerindeki etkisinin modellenmesi
AYSUN ÇEÇE TÜRKER
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
EnerjiBoğaziçi ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. DAMLA EROĞLU PALA
- 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 of reaction and degradation mechanisms in lithium-sulfur batteries
Lityum-sülfür pillerindeki reaksiyon ve bozunma mekanizmalarının modellenmesi
NİSA ERİŞEN
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Kimya MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÖRKEM KÜLAH
DR. ÖĞR. ÜYESİ DAMLA EROĞLU PALA
- Bakır indiyum sülfür ince filmlerinin sprey piroliz yöntemiyle üretilmesi ve fotoelektrokimyasal güneş pili uygulamalarında kullanımı
Copper indium sulfide thi̇n film production with spray pyrolysis and its usage in photoelectrochemical cells
EMRE YARALI
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Mühendislik BilimleriTOBB Ekonomi ve Teknoloji ÜniversitesiMikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. NURDAN DEMİRCİ SANKIR