Enerji depolamada yenilikçi karbon yapılı esnek yüzeylerin üretimi ve analizi

Production and analysis of novel carbon structured flexible surfaces for energy storage applications

Tez No: 879069
Yazar: ESRA ŞERİFE KILIÇ
Danışmanlar: PROF. DR. ALİ DEMİR
Tez Türü: Doktora
Konular: Tekstil ve Tekstil Mühendisliği, Textile and Textile Engineering
Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
Yıl: 2024
Dil: Türkçe
Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
Ana Bilim Dalı: Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Bilim Dalı: Tekstil Mühendisliği Bilim Dalı
Sayfa Sayısı: 195

Özet

Günümüzde enerji depolama teknolojileri; yenilenebilir enerji santrallerinin, elektrikli araçların yaygınlaşması ve taşınabilir elektronik teknolojilerinin gelişmesiyle birlikte giderek daha büyük önem kazanmaktadır. Enerji depolama sistemleri, güneş paneli ve rüzgâr türbini gibi yenilenebilir enerji kaynaklarından enerji üretiminde, enerji talebindeki artış sırasında elektrik arzının dengelenmesi ve enerji üretimindeki mevsimsel dalgalanmaları dengeleyerek güvenilir bir enerji tedariği sağlamaktadır. Enerji santrallerinde kullanılan pillerin diğer bir önemli kullanım alanı elektrikli araçlardır. Otomobillerde sürüş menzilinin arttırılması, hızlı şarj ve güvenli kullanım özellikleri çok önemli olup, bu özelliklerin geliştirilmesi pillerde kullanılan bileşenlerin iyileştirilmesine bağlıdır. Hem elektrikli otomobillerde hem de taşınabilir elektrikli aletlerde kullanılabilecek, yüksek performanslı pillerin geliştirilmesi için pek çok çalışma gerçekleştirilmektedir. Lityum iyon piller birçok enerji depolama sistemleri arasında, yüksek enerji yoğunluğuna sahip olmaları, uzun ömür, düşük kendiliğinden deşarj oranları ve hafif olmaları nedeniyle en yaygın kullanılan enerji depolama teknolojileridir. Lityum iyon piller, yaklaşık 150-350 Wh/kg gibi yüksek enerji yoğunluğu yanında çevrim ömürleri genellikle binlerce (3000-5000) şarj/deşarj çevrimdir ve hızlı şarj/deşarj yeteneklerine sahiptirler. Bu özellikler, lityum iyon pilleri endüstriyel ve kişisel kullanımlarda cazip bir seçenek haline getirmektedir. Giyilebilir elektroniklerin geliştirilmesi ile kullanılan bataryaların esnek, hafif, optimum konfor için insan vücuduna uyum sağlayan bataryalara ihtiyaç oluşturmaktadır. Ticari pillerde bileşenler esnek yapıda olmadığından kullanımı zorlaştırmaktadır. Bunun için geliştirilen iki yaklaşım; ya pil bileşenlerinin esnekliğini arttıracak tekstil esaslı (karbon nanolifler, karbon kumaşlar gibi) bileşenleri geliştirmek ya da pilleri tamamen esnek bir formda, yeterli enerji yoğunluk ve yoğun esnemeye dayanıklı filmler veya liflerden üretilmesi şeklindedir. Pillerde özellikle karbon nanoliflerin ve karbon kumaşların kullanımı, enerji depolama teknolojilerindeki yenilikçi ve etkili yaklaşımlardır. Özellikle karbon nanoliflerin ve karbon kumaşların kullanımı; uzun pil ömrü, yüksek enerji depolama kapasitesi ve esnek tasarım seçenekleri sunarak daha kullanışlı, dayanıklı ve verimli pil üretimine olanak sağlamaktadır. Karbon nanolifler, nanometre ölçeğindeki çapları, yüksek yüzey alanı, yüksek gözeneklilik, elektriksel iletkenlik gibi üstün özellikler sayesinde, pillerde kullanılmaya oldukça uygundur. Karbon nanolifler, lityum iyon pillerinde anot veya katotlarda taşıyıcı kullanılmadan tek başına elektrot olarak kullanılabilirler. Bu malzemeler, geleneksel toz malzemelerden elde edilen elektrotlara kıyasla daha esnek, hafif ve yüksek performans sunarlar, bu da giyilebilir cihazlar gibi esnek ve taşınabilir uygulamalar için idealdir. Pillerin kullanımının artması, kaynakların sınırlı olmasına bağlı olarak pillerde kullanılan bileşenlerin çevre dostu ve sürdürülebilir malzeme ve yöntemlerle üretilebilmesi de ayrıca önem arz eden bir konudur. Pillerde çevre dostu ve sürdürülebilir elektrot kullanımı, enerji depolama teknolojilerinin çevresel etkilerini azaltmak ve doğal kaynakların korunmasını desteklemek için çok önemlidir. Çevre dostu ve sürdürülebilir elektrotlar, çevresel etkileri azaltır ve enerji depolama teknolojilerinin daha sürdürülebilir hale gelmesine katkı sağlar. Bu yaklaşım, gelecek nesiller için temiz bir çevre ve sürdürülebilir enerji kaynakları sağlama hedefine ulaşmada önemli bir rol oynar. Karbon nanolif üretiminde yaygın kullanılan kullanılan poliakrilonitril gibi yüksek karbon içeriğine sahip maddelerin yerine, çevre dostu ve ekonomik alternatifler aranmaktadır. Bu ihtiyacı karşılamak için polivinil alkol (PVA) gibi su ile çözünebilen, çevre dostu ve maliyeti düşük bir polimer ön plana çıkmıştır. Ancak, PVA'nın uygun işlem koşulları sağlanmadığında karbon verimliliğinin düşük olduğu bilinmektedir. Bu durum, PVA esaslı karbon nanoliflerin kullanım alanını kısıtlar. Bunun iyileştirilmesi için çalışmalar gerçekleştirilmektedir. Karbon kumaşlar yüksek mukavemeti ve elektrik iletkenliği, hafifliği ve üstün termal özellikleri nedeniyle havacılık, otomotiv, spor ekipmanları ve yenilenebilir enerji gibi sektörlerin ayrılmaz bir parçasıdır. Çevresel kaygılar da göz önüne alındığında kompozitlerde yaygın kullanılan karbon kumaşların geri kazanımı, kaynak verimliliğine, sürdürülebilirliğe ve karbon ayak izinin azaltılmasına katkısı nedeniyle büyük önem taşımaktadır. Özellikle prepreg atıklar hem üretim sırasında hem de kompozit yapım aşamasında ciddi enerji ve hammadde kaybına neden olmaktadır. Giyilebilir elektroniklerde ve yapısal pillerde kullanılabilen karbon kumaşların, geri dönüştürülmüş karbon kumaşlardan üretilmesi bu çalışmada ilk kez uygulanmış olan oldukça yenilikçi bir yaklaşımdır. Lityum iyon pillerde kullanılabilecek esnek yapılı, yüksek kapasite elektrotların geliştirilmesi ve bunun çevresel etkileri azaltılarak sürdürülebilir bir formda yapılması amaçlanan çalışmamızda ilk olarak, poliakrilonitril nanoliflerinin elektro-üretim yöntemiyle üretimi ve pil performans analizi gerçekleştirilmiştir. Elde edilen nanolifler, pil performansını artırmak için silisyum nanopartikülleri ile modifiye edilmiştir. Farklı boyutlarda silisyum nanopartiküllerinin (30 nm, 50 nm, 70 nm) katkılandırılmasıyla pil performanslarının karşılaştırılması yapılmış ve 50 nm çapındaki silisyum nanopartiküllerinin daha yüksek performans sağladığı tespit edilmiştir. Aglomerasyon gibi nedenlerle 50 nm çapındaki silisyum nanopartiküllerinin daha etkili olduğu görülmüştür. Silisyum (Si) nanopartiküllerinin yapı içerisinde hacimsel genişleme sonrasında elektrot yapısına zarar vererek kapasite düşüşünü engellemek ve stabil hale getirmek için sandviç yapıda kullanılması, elektrotun döngüsel stabilitesini artırmak için önemli bir adım olarak belirlenmiştir. Bu amaçla, en altta ve en üstte karbon nanolif tabakalar arasına silisyum içeren karbon nanolif tabakalar sandviç benzeri bir formda üretilmiştir. PAN ve silisyum içeren karbon nanolif kompozitlerinin pil performansı değerlendirilmiş, nanolif tabakalarının arasına Si içeren kompozit karbon nanolifler eklenmesiyle yüksek hacimsel değişime bağlı kapasite kaybının önüne geçildiği tespit edilmiştir. Sandviç yapıdaki elektrotlar, farklı akım yoğunluklarında 709 mAh/g kapasite değerini korumuş ve %99,5'e varan kulombik verimlilik (coulombic efficiency) elde edilmiştir. Elde edilen yüksek kapasitenin yüksek çevrimlerde korunduğu ve daha stabil umut veren elektrot geliştirildiği tespit edilmiştir. İkinci olarak ise, çevreci ve ekonomik bir alternatif olan PVA esaslı nanoliflerin sentezi ve karakterizasyonu gerçekleştirilmiştir. PVA'nın kullanılmasıyla karbon nanoliflerin düşük karbon verimliliği sorunu ele alınmış ve uygun işlemlerle bu sorunun aşılabileceği belirtilmiştir. Bu kısıtlamaları aşmak için yapılan bu çalışmada, iyot buharında bekletme süresi (6 saat, 12 saat, 24 saat) ve sıcaklığının (60C, 80C, 100C) değiştirilmesiyle karbon verimliliğine ve pil performansına etkisi incelenmiştir. Bu yöntemle elde edilen PVA esaslı nanolifler, daha sonra farklı sıcaklıklarda (600C, 800C) karbonizasyon işlemine tabi tutulmuştur. Bu süreçte nanoliflerin morfolojisi ve fiziksel özellikleri detaylı bir şekilde karakterize edilmiştir. Ayrıca, elektriksel iletkenlik ölçümleri ile elektrokimyasal özellikleri incelenmiştir. Bu çalışmalar sonucunda, PVA esaslı karbon nanoliflerin yüksek karbon verimliliğine sahip, dayanıklı, esnek ve yüksek elektriksel iletkenlik özellikleri sergileyen elektrot olarak kullanılabileceği görülmüştür. Suda çözünebilir PVA esaslı karbon nanoliflerin üretimi ve iyodinasyon sıcaklıklarının pil performansına etkileri incelenmiştir. 60 °C iyodinasyon sıcaklığında daha yüksek performans ve çevrim stabilitesi elde edilmiştir. PVA esaslı nanoliflerin karbon verimliliğini arttırmak ve daha esnek bir yapı elde etmek amacıyla, karbon nanotüplerle katkılanması sağlanmıştır. Karbon nanotüplerin ilavesi, karbon nanolif (CNF) yüzeylerinin esnekliğini artırarak tek başına, serbest duran elektrotlar olarak kullanımını sağlamıştır. Ayrıca, karbon nanotüpler yüzeylerin elektrik iletkenliğini artırarak daha yüksek spesifik kapasite değerlerinin (672 mAh/g kapasite, 50 mA/g akım yoğunluğunda) elde edilmesini sağlamıştır. Suda çözünebilen PVA polimerinden elde edilen karbon nanolifler, geniş yüzey alanı, yüksek gözeneklilik ve küçük lif çapına sahip özellikleriyle lityum iyon pillerde doğrudan elektrot olarak olarak kullanılabilecek yapıda yüksek kapasiteli elektrot olarak başarılı bir şekilde üretilmiştir. Bu çalışma kapsamında gerçekleştirilen diğer bir çalışmada ise, karbon kumaşların pil elektrotları olarak kullanılması üzerine odaklanılmıştır. Yapısal pillerin ve esnek elektrotların önemi göz önüne alınarak, karbon kumaşların ve geri dönüştürülmüş karbon kumaşların lityum iyon pil performansı üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Ticari karbon kumaşların, asetonla yüzey kaplaması giderilerek elektrot formunda kesilip hazırlanmış ve lityum iyon pil performansı incelenmiştir. Sürdürülebilir geri dönüşüm malzemelerin pillerde kullanımına yönelik olarak kompozitlerde yaygın kullanılan prepreglerin (epoksi reçine ile kaplanmış karbon kumaş) üretim sırasında ve kompozit hazırlama sürecinde çıkan atıklarının termal ve kimyasal işlemler uygulanarak geri dönüştürülmesi gerçekleştirilmiştir. Termal işlemler sonucunda yapısal değişiklikler sayesinde dönüştürülmüş karbon kumaşların daha yüksek kapasite değerlerine ulaştığı gözlemlenmiştir. Geri dönüştürülmüş karbon prepreg atıklarından elde edilen elektrotlar 232 mAh/g (25 mA/g akım yoğunluğunda) spesifik kapasite vermektedir. Bu bulgular, kompozitlerde çevre kirliliğine neden olan atıkların geri dönüştürülerek pil elektrotu olarak kullanılabileceği ve çevresel etkilerin azaltılmasına önemli katkı sağlanmaktadır.

Özet (Çeviri)

The development of energy storage technologies is becoming increasingly important with the widespread use of renewable energy sources, electric vehicles and portable electronic technologies. Energy storage systems in energy production from renewable energy sources such as solar panels and wind turbines provide a reliable energy supply by balancing the increase in energy demand and electricity supply. In addition, energy storage helps to stabilise the electricity grids by storing energy during low demand hours and releasing it during higher demand hours. Many requirements such as increasing the driving range of batteries used in electric vehicles, faster charging, safer use are increasing day by day. In this context, researchers have been working on the synthesis and characterisation of various electrode materials for energy storage systems. Lithium ion batteries are the most widely used energy storage technologies among many energy storage systems due to their high energy density, long life, low self-discharge rates. Lithium ion batteries have high energy density of approximately 150-350 Wh/kg, cycle life is usually 3000-5000 of charge/discharge cycles and they have fast charge/discharge capabilities. These features make lithium ion batteries an attractive option for industrial and personal use. In summary, developing energy storage technologies and improving the performance of lithium ion batteries is vital to meet future energy needs and create a sustainable energy future. The developments in wearable electronics and flexible battery technologies, the demand for flexible and lightweight energy storage systems has also increased significantly. The need for features such as high energy density, light weight and high capacity, long battery life and safe use in batteries can be improved by using innovative textile structured flexible carbon surfaces. The need for wearables to be flexible and even stretchable, fitting perfectly to human contours for optimal comfort, necessitates batteries capable of matching these requirements. Traditional batteries, shaped in rigid prismatic or cylindrical forms with hard shells, are ill-suited for the dynamic nature of wearable technology. Their components, from the active materials to the current collectors, lack flexibility and risk detaching when bent, damaging both the battery's structural integrity and its performance. To overcome these obstacles, two main strategies are being explored: innovating new materials to improve flexibility of battery parts, and designing batteries with adaptable structures. The first strategy explores the use of carbon-based materials, such as carbon based fibrous structures, carbon nanotube films and graphene papers, due to their flexibility and superior electrical conductivity, as alternatives to stiff battery components. The second strategy tests different flexible battery formats, like film and fiber constructions, designed to endure extensive flexing while maintaining their electrochemical efficiency. The use of carbon nanofibres and carbon fabrics in batteries is one of the innovative and effective approaches in energy storage technologies. In particular, the use of carbon nanofibres and carbon fabrics enables more convenient, more durable and efficient battery production by offering long battery life, high energy storage capacity and more flexible design options. Carbon nanofibres are very suitable for use in batteries thanks to their superior properties such as nanometre-scale diameters, high surface area, high porosity and electrical conductivity. Carbon nanofibres can be used as electrodes alone in lithium ion batteries without the use of carriers in anodes or cathodes. These materials are more flexible, lightweight and offer high performance compared to electrodes made from conventional powder materials, making them ideal for flexible and portable applications for wearable devices. The use of carbon nanofibres and carbon fabrics in batteries has attracted attention as promising materials in the development of energy storage technologies. Due to the increasing use of batteries and limited resources, it is also important that the components used in batteries can be produced with environmentally friendly and sustainable materials and methods. The use of environmentally friendly and sustainable electrodes in batteries is a critical step to reduce the environmental impact of energy storage technologies and to support the conservation of natural resources. In this context, various approaches are adopted with the use of innovative materials. Environmentally friendly and sustainable electrodes reduce the environmental impact of batteries at every stage of their life cycle and contribute to making energy storage technologies more sustainable. This approach plays an important role in achieving the goal of providing a clean environment and sustainable energy sources for future generations. Environmentally friendly and economical alternatives are being sought to replace materials with high carbon content such as polyacrylonitrile used in carbon nanofibre production. To meet this need, a water-soluble, environmentally friendly and low-cost polymer such as polyvinyl alcohol (PVA) has come to the fore. However, it has been observed that PVA has low carbon yield efficiency when appropriate processing conditions are not provided. This restricts the use of PVA-based carbon nanofibres. Carbon fabrics have high strength, light weight and superior thermal and electrical conductivity which makes them as an integral part of industries such as aerospace, automotive, sports equipment and renewable energy. Considering environmental concerns, the recovery of carbon fabrics, which are widely used in composites, is of great importance due to their contribution to resource efficiency, sustainability and reduction of carbon footprint. Especially prepreg wastes cause serious energy and raw material loss both during production and composite making. Producing carbon fabrics that can be used in both wearable electronics and structural batteries from recycled carbon fabrics is a highly innovative approach adopted by this work. Our study aimed to develope flexible, high-capacity electrodes that can be used in lithium ion batteries via eco friendly routes. Firstly, the production of polyacrylonitrile nanofibres by electrospinning method and battery performance analysis were investigated. The electrospinning method is of great interest because it is ease of scalability and it can be used in the synthesis of various nanostructures. The obtained nanofibres were modified with silicon nanoparticles to improve battery performance. Battery performances were compared by doping silicon nanoparticles of different sizes (30 nm, 50 nm, 70 nm) and it was found that silicon nanoparticles with a diameter of 50 nm provided higher performance. Silicon nanoparticles with a diameter of 50 nm were found to be more effective. The use of silicon nanoparticles in a sandwich structure to prevent and stabilise the capacity decrease by damaging the electrode structure after volumetric expansion. For this purpose, in the sandwich like structures, between bottom and top carbon nanofiber layers, silicon doped carbon nanofibres were introduced. In this way, it is determined that a high capacity maintained at high cycles and more stable promising electrodes have been developed. In another study, the synthesis and characterization of PVA-based nanofibers, an eco-friendly and economical alternative, were conducted. The use of PVA has the issue of low carbon efficiency. This study overcome this limitation by varying the iodination duration (6 hours, 12 hours, 24 hours) and temperature (60°C, 80°C, 100°C), examining their effects on carbon efficiency and battery performance. The PVA-based nanofibers obtained through this method were then subjected to carbonization at different temperatures (600°C and 800°C). The morphology and physical properties of the nanofibers were characterized in detail, and their electrochemical properties were examined through electrical conductivity measurements. These studies revealed that PVA-based carbon nanofibers could serve as durable, flexible, and highly electrically conductive electrodes. The production of water-soluble PVA-based carbon nanofibers and the impact of iodination temperatures on battery performance have been investigated. Optimal performance and cycle stability were achieved at an iodination temperature of 60°C, with a capacity of 168 mAh/g. To enhance the carbon efficiency and flexibility of PVA-based nanofibers, carbon nanotubes (CNTs) were incorporated. The resulting PVA-CNT carbon nanofibers, due to their high capacity values and electrical conductivity, have been highlighted a potential use in energy storage applications. The addition of carbon nanotubes improved the flexibility of CNF mats, enabling their use as standalone (free-standing) electrodes. Additionally, the inclusion of carbon nanotubes enhanced the electrical conductivity of the mats, enabling the achievement of higher specific capacity values (672 mAh/g at a current density of 50 mA/g). The carbon nanofibers derived from water-soluble PVA polymer, with their large surface area, high porosity, and small fiber diameter, have been developed as high-capacity electrodes suitable for direct use in lithium-ion batteries. Another focus of the thesis was on the use of carbon fabrics as battery electrodes. This study, considering the importance of structural batteries and flexible electrodes, investigated the impact of carbon fabrics and recycled carbon fabrics on lithium-ion battery performance. Commercial carbon fabrics were prepared as electrodes by removing the surface coating with acetone and their lithium-ion battery performance was evaluated. In another study, sustainable recycling of materials in batteries was addressed by recycling waste from the production process of prepregs (carbon fabrics coated with epoxy resin) used in composites. The waste was recycled through thermal and chemical processes, and the recycled prepreg waste carbon fabrics were prepared as battery electrodes and compared with the capacities of ready-made carbon fabrics. After thermal processes, which opened up the crystal structures, it was observed that the converted carbon fabrics reached higher capacity values. The electrodes made from recycled carbon prepreg waste demonstrated a capacity of 232 mAh/g (at 20 mA/g). These findings indicate that waste from composites can be recycled and used as battery electrodes, significantly reducing environmental impacts. The studies conducted within the thesis have demonstrated the development of high-capacity and standalone lithium-ion battery negative electrodes from PAN and PVA-based carbon nanofibers, and the feasibility of using recycled carbon prepreg wastes as high-performance battery electrodes. The research offers innovative approaches to the sustainable, environmentally friendly development of electrodes suitable for flexible and wearable batteries. These findings are expected to play a significant role in advancing future energy storage technologies and reducing environmental impacts

Benzer Tezler

Tez No
752152
Graphene based materials obtained from graphite and polyacrylonitrile based carbon fiber for energy storage and conversion systems
Enerji depolama ve dönüşüm sistemleri için grafit ve poliakrilonitril esaslı karbon fiberden grafen tabanlı malzemelerin üretilmesi
MEHMET GİRAY ERSÖZOĞLU
Doktora
İngilizce
2022
Enerji İstanbul Teknik Üniversitesi
Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ABDÜLKADİR SEZAİ SARAÇ
PROF. DR. YÜCEL ŞAHİN
Tez No
723442
Syntheses, characterizations, and device fabrications of organic molecules for energy storage devices
Enerji depolama cihazlarında kullanılmak üzere organik moleküllerin sentezi, karakterizasyonu ve cihaz uygulamaları
SEBAHAT TOPAL
Doktora
İngilizce
2022
Enerji İstanbul Teknik Üniversitesi
Kimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TURAN ÖZTÜRK
Tez No
846836
Assessment of urbanization history of Addis Ababa city, Ethiopia
Addıs Ababa cıty, Ethıopıa'nın kentleşme tarihinin değerlendirilmesi
ABDURAHMAN HUSSEN YIMER
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Şehircilik ve Bölge Planlama Mersin Üniversitesi
Şehir ve Bölge Planlama Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALİ CENAP YOLOĞLU
Tez No
887666
Development of novel phase change materials with classical and supramolecular approaches
Klasik ve supramoleküler yaklaşımlarla yeni faz değişim malzemelerinin geliştirilmesi
EDA RENDE KILIÇ
Doktora
İngilizce
2024
Polimer Bilim ve Teknolojisi İstanbul Teknik Üniversitesi
Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ABDULLAH AYDOĞAN
PROF. DR. AHMET ALPER AYDIN
Tez No
853229
Sodyum iyon pillere üç boyutlu yenilikçi yaklaşımlar
Innovative three-dimensional approaches to sodium-ion batteries
SIDIKA YILDIRIM GÜLTEKİN
Doktora
Türkçe
2024
Metalurji Mühendisliği Sakarya Üniversitesi
Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HATEM AKBULUT

Geri Dön