Geri Dön

Advanced materials for high energy density electrodes for li-ion batteries

Yüksek enerji yoğunluğuna sahip elektrot malzemeleri için gelişmiş malzemeler

  1. Tez No: 898744
  2. Yazar: VAHID CHARKHESHT
  3. Danışmanlar: PROF. DR. SELMİYE ALKAN GÜRSEL, DR. ÖĞR. ÜYESİ ALP YÜRÜM
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Enerji, Energy
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Sabancı Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 115

Özet

Mevcut lityum iyon pillerin enerji yoğunluğunu arttırmak, elektrot üretim tekniklerinin ve yeni aktif malzemeler için sentez yollarının daha da geliştirilmesini gerektirmektedir. Bu bağlamda, katot ve anotların daha da geliştirilmesine odaklanmak kritiktir. İlgi çekici anot malzemelerinden biri, güvenlik ve ekonomik avantajları nedeniyle TiO2'dir. Ancak, bu malzeme büyük parçacık boyutlarında umut verici elektrokimyasal özellikler göstermez. Bu nedenle, nanoyapılar oluşturmak elektrokimyasal özelliklerini iyileştirecektir. Hidrotermal sentez kullanarak bu malzemenin nanotüp yapısını elde ederek, daha fazla Li-iyon depolayabilen bir boş yapı oluşturulabilir. Sonrasında, yapıda bulunan suyun çıkarılmasıyla enerji yoğun bir yapı elde edilir. Ancak, bu malzemenin termal işlem parametreleri henüz optimize edilmemiştir. Bu tezin ikinci bölümünde, ısıl işlem sıcaklığı ve süresi optimize edildikten sonra, 500 °C'de 10 saatlik ısıl işlem süresi, difüzyon katsayısı, empedans, çevrim ve akım yoğunluğu performansı açısından en iyi elektrokimyasal performansı göstermiştir. Bu malzemenin enerji yoğunluğunun daha da arttırılması, tam hücre paketinin ağırlığını azaltarak mümkündür. Elektro eğirme ile anotta Cu alt tabakasını çıkararak serbest duran elektrotlar üretebilir. Bu nedenle, optimize edilmiş ısıl işlem görmüş partiküller alınarak lifli elektrot yapısına homojen olarak gömülmüştür. Ortaya çıkan elektrot, dökme elektrotlarla neredeyse aynı kapasiteleri sağlamakla kalmamış, aynı zamanda enerji yoğunluğunu %14 arttırmıştır. Bir hücrenin elektrokimyasal performansındaki diğer önemli faktör, aktif malzemenin yüzey kimyasıdır. Bu tezin üçüncü bölümünde, TiO2'nun elektrokimyasal performansı üzerindeki kristal yüzeylerinin etkisini anlamak için iki hidrotermal sentez yöntemi kullanılarak malzeme üzerinde farklı yüzeyler geliştirildi. Farklı yüzey enerjilerine sahip çeşitli yüzeyleri olan kübik, oktahedral ve kesik oktahedral morfolojilere sahip üç tip tekli kristal sentezlendi ve elektrokimyasal olarak incelenmiştir. Yüksek enerjili yüzeylerin kütle transferi, ara yüzey oluşumu ve çevrim performansı üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Yüksek enerjili yüzeyler, yüksek difüzyon katsayıları ile Li-iyon hareketliliğini kolaylaştırmıştır. Döngüsel voltametri, farklı yüzeylere Li-iyonlarının yerleştirilmesi için farklı elektrokimyasal potansiyeller göstermiştir. Kapasite korunumu için, yüksek enerjili yüzeyler karşılaştırmalı olarak üstün performans sergilemiştir. Bu nedenle, yüksek yüzey enerjisine sahip tekli kristallerin geliştirilmesi elektrokimyasal özellikleri iyileştirmeye yardımcı olmaktadır, ancak bu yüzeyler için SEI tabakası oluşumuna bağlı olarak ilk döngülerde büyük kapasite düşüşü gözlemlenmiştir. Son olarak, son bölümde katot malzemesinin enerji yoğunluğu hedeflenmiştir. Bunu yapmak için, Ni açısından zengin katot malzemeleri (NCA) üretmek üzere dört farklı sentez yolu kullanıldı. Pechini yöntemi ve kolloidal sentez yöntemleri, karbon şablonlar ile ve karbon şablonlar olmadan kullanıldı. Malzemede homojen element dağılımı sağlandıktan sonra, aktif malzemeler elektro dokunmuş elektrotlar üretmek için lifli matrislere gömüldü. Kolloidal sentez ile sentezlenen karbon siyah destekli NCA, NCA-C, diğer sentezlenmiş aktif malzemelere kıyasla iyi performans göstermiştir. Serbest duran NCA elektrodu, mevcut aktif malzemelerin kapasitelerine ihmal edilebilir kapasite kaybı ile ulaşabilmekle kalmamış, aynı zamanda herhangi bir alt tabaka olmaması nedeniyle enerji yoğunluğunu arttırmıştır.

Özet (Çeviri)

Improving the energy density of existing lithium batteries requires further development of electrode fabrication techniques as well as synthesis routes for new active materials. In this sense, focusing on the further development of cathodes and anodes will be crucial. One of the interesting anode materials is TiO2, thanks to its safety and economical advantages. However, in its bulk form, this material does not show promising electrochemical properties. Therefore, creating nanostructures from it will improve its electrochemical properties. By obtaining a nanotubular structure of this material using hydrothermal synthesis, a hollow structure capable of storing greater amounts of Li-ion can be achieved. Subsequently, further thermal treatment removes the existing water in the structure, resulting in a denser structure. However, the parameters involved in the thermal treatment of this material have not been optimized yet. In the second chapter of this thesis, after optimization of heat treatment temperature and duration, the 10 hours at 500 °C shows the best electrochemical performance in terms of diffusivity, impedance, cycling, and rate performance. Further improvement of the energy density of this material is possible by reducing the weight of the whole cell package. Electrospinning can fabricate free-standing electrodes by removing the Cu substrate in the anode. Therefore, the optimized heat-treated particles were taken and homogeneously embedded in the fibrous electrode structure. The resulting electrode not only provides almost the same capacities compared to the cast electrodes, but also it improves the energy density by 14%. Another important factor in the electrochemical performance of a cell is the surface chemistry of the active material. In the third chapter of this thesis, to understand the effect of facets on the electrochemical performance of TiO2, two hydrothermal synthesis methods were utilized to develop different facets on the material. Three types of single crystals (with cubic, octahedral, and truncated morphologies) obtaining various facets with different surface energies were synthesized and electrochemically investigated. The effect of high-energy facets was highlighted on the mass transfer, interface formation, and cycling performance. High-energy facets facilitate the diffusion of Li-ion, resulting in high diffusivity coefficients. Cyclic voltammetry shows different electrochemical potentials for Li-ions' insertion into the different facets. For capacity retention, the high-energy facets show superior performance comparatively. Therefore, developing single crystals with high-surface energy will help improve electrochemical properties, however, large capacity drop in the initial cycles caused by SEI layer formation is intense for these surfaces because of the existing high energy facets. Finally, in the last chapter, the energy density of the cathode material was targeted. To do so, four different synthesis routes were employed to fabricate Ni-rich cathode materials (NCA). The Pechini method and colloidal synthesis methods have been used with and without carbon templates. After achieving a homogeneous elemental distribution in the material, the active materials were embedded into fibrous matrices to fabricate electrospun electrodes. The carbon-black supported NCA synthesized with colloidal synthesis, NCA-C, performed well compared to the other synthesized active materials. The freestanding NCA electrode not only can reach the capacities of state-of-the-art active materials with negligible capacity fade, 0.28 mAh/g per cycle to 200 cycles, but also it does not have any substrates which improves the energy density.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    523361

    High energy density cathode active materials for lithium-ion batteries

    Başlık çevirisi yok

    MEHMET NURULLAH ATEŞ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    BiyokimyaNortheastern University

    Prof. KUZHIKALAIL M. ABRAHAM

  2. Tez No

    713282

    Renewable carbon from lignin biomass and its electrode and catalyst applications in batteries, supercapacitors, and fuel cells

    Lignin biyokütlesinden yenilenebilir karbon ve pillerde, süper kapasitörlerde ve yakıt hücrelerinde elektrot ve katalizör uygulamaları

    MÜSLÜM DEMİR

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    EnerjiVirginia Commonwealth University

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. RAM B. GUPTA

  3. Tez No

    476782

    Porosity generation and optimization of silicon-based anodes for high energy density lithium ion batteries

    Yüksek enerji yoğunluklu lityum iyon bataryalar için silisyum bazlı anotlarda gözenek geliştirilmesi ve optimizasyonu

    NESLİHAN YUCA

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ÜNER ÇOLAK

  4. Tez No

    450975

    Engineering M-Si (M:Ag,Cu) thin films as negative electrodes for lithium ion batteries

    Lityum iyon bataryalarda negatif elektrot olarak kullanımları için M-Si (M:Ag,Cu) ince filmlerin tasarlanması

    BİLLUR DENİZ KARAHAN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ÖZGÜL KELEŞ

  5. Tez No

    400912

    Advanced nanofiber-based lithium-ion battery cathodes

    Başlık çevirisi yok

    OZAN TOPRAKÇI

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2012

    Polimer Bilim ve TeknolojisiNorth Carolina State University

    PROF. XIANGWU ZHANG

    PROF. PETER S. FEDKIW

Geri Dön