Effect of electrolyte properties on lithium-sulfur battery performance
Elektrolit özelliklerinin lityum-kükürt batarya performansına etkisi
- Tez No: 881095
- 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: 182
Özet
Lityum-kükürt (Li-S) piller, yüksek teorik özgül ve hacimsel enerji yoğunluğuna sahip olmaları nedeniyle lityum-iyon bataryaların yerini almaya adaydır. Kükürtün doğada bol bulunması, toksik olmaması ve düşük maliyetli olması da bu pillerin avantajları arasındadır. Li-S pillerde, katotta ara ürün olarak oluşan lityum polisülfidlerin elektrolitte çözünmesinden dolayı, elektrolit özellikleri hücrenin elektrokimyasal performansı üzerinde oldukça önemli bir etkiye sahiptir. Bu çalışmada elektroliti oluşturan tuz ve çözücü bileşenlerinin hücrenin deşarj kapasitesine ve döngü performansına etkisi deneysel ve mekanistik olarak araştırılmıştır. Sülfolan ve triglim çözücüleri ve LiTFSI, LiTF ve LiClO4 tuzlarının çeşitli kombinasyonları ile oluşturulan hücreler, çeşitli elektrolite-kükürt (E/S) oranlarında galvonastatik döngüleme ve elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) metotlarına tabi tutulmuştur; böylece tuz ve çözücü çeşidinin Li-S hücre performansına etkisi deneysel olarak karakterize edilmiştir. LiTFSI tuzu, sülfolan bazlı elektrolitler içinde neredeyse tüm E/S oranlarında en yüksek deşarj kapasitelerine ulaşarak en iyi döngü performansını göstermiştir. Bunun yanında LiTF tuzu içeren elektrolitler içinde, triglim bazlı olanların sülfolan bazlı olanlara göre daha iyi kapasite tutma özelliği gösterdiği görülmüştür. Lityum-kükürt bataryanın performansı özellikle düşük E/S oranlarında çözücü ve tuz tipinden oldukça etkilenmektedir. Bu göz önüne alındığında 1M LiTFSI tuzunun sülfolan çözücüyle oluşturduğu sistem düşük E/S oranlarında umut verici sonuçlar göstermiştir. Elektrolit özelliklerinin Li-S pilin deşarj performansı üzerindeki etkisini araştırmak için sıfır boyutlu ve tek boyutlu iki elektrokimyasal model de geliştirilmiştir. Her iki modelde de elektrolit özellikleri dolaylı olarak modellenmiştir. Sıfır boyutlu modelde sadece S8 çökme hızı sabiti deşarj kapasitesini değiştirebilmektedir. Tek boyutlu modelde ise kS8, KspS8 ve difüzyon katsayılarının hücrenin kapasitesine etki edebileceği gözlemlenmiştir. Her iki model de elektrolit özelliklerinin deşarj eğrisine etkisini öngörebilmektedir; fakat tek boyutlu modelde daha fazla parametrenin etkili olduğu söylenebilir.
Özet (Çeviri)
Lithium-sulfur (Li-S) batteries take attraction due to their promising theoretical gravimetric and volumetric energy densities, besides the natural abundance, low toxicity, and low cost of sulfur. The properties of the electrolyte significantly affect the electrochemical performance since the cathode kinetics in a Li-S cell includes the formation of lithium polysulfide intermediates soluble in the electrolyte. Herein, the effect of electrolyte constituents, namely the solvent and the salt, on discharge performance was investigated experimentally and theoretically. First, the effect of salt and solvent type on the discharge capacity, cycle life, capacity retention, and cell resistance of a Li-S cell were experimentally characterized by using galvanostatic cycling and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) methods for sulfolane and triglyme solvents, and LiTFSI, LiTF, and LiClO4 salts at different electrolyte-to-sulfur (E/S) ratios. LiTFSI salt leads to the best cycling performance in sulfolane-based electrolytes, with higher discharge capacities at all cycles for almost all E/S ratios. On the other hand, LiTF salt-containing cells have superior capacity retention at low E/S ratios for triglyme-based electrolytes. The discharge performance of a Li-S battery is highly influenced by both the solvent and the salt type, particularly at low E/S ratios. Given this, 1M LiTFSI in a sulfolane electrolyte system appears to be promising for achieving high performance at low E/S ratios. A zero-dimensional and a one-dimensional model were also built to investigate the effect of electrolyte properties on the discharge performance of a Li-S battery. In both models, the effect of electrolyte type and properties on discharge performance is implicitly described by the variation of chosen model variables. In the 0-D model, the discharge capacity can only be controlled by the S8 precipitation rate constant. In contrast, the influence of electrolyte characteristics on discharge capacity in the 1-D model may be controlled by the S8 precipitation rate parameters, kS8 and KspS8, as well as the diffusion coefficients. Both models can predict the effect of electrolyte characteristics on discharge performance, but the one-dimensional model contains more factors that influence the discharge curve.
Benzer Tezler
- 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
- Material-to-system analysis of lithium – sulfur and lithium – oxygen batteries
Lityum-sülfür ve lityum-oksijen bataryalarının malzemeden sisteme analizi
AYŞEGÜL KILIÇ
Doktora
İngilizce
2024
EnerjiBoğaziçi ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. DAMLA EROĞLU PALA
- Computational investigation of battery materials using density functional theory
Yoğunluk fonksiyonel teorisi kullanılarak pil malzemelerinin hesaplamalı incelenmesi
DOAA AASEF AHMED AHMED
Doktora
İngilizce
2023
EnerjiSakarya ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. TUĞRUL ÇETİNKAYA
- Development of cathode and interlayer materials for high performance lithium sulfur batteries
Yüksek performanslı lityum sülfür pillerin katot ve seperatör kısmında malzeme geliştirmeleri
MMARYAM SADAT KİAİ
Doktora
İngilizce
2020
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSEYİN KIZIL
- 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