Geri Dön

Lityum iyon piller için üç boyutlu grafen/karbon nanotüp/silisyum nanokompozit anotların geliştirilmesi

Development of three-dimensional graphene/carbon nanotube/silicon nanocomposite anodes for lithium-ion batteries

  1. Tez No: 903975
  2. Yazar: SELİN DEMİRCİ
  3. Danışmanlar: PROF. DR. NİLGÜN YAVUZ
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Enerji, Energy
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Enerji Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Enerji Bilim ve Teknoloji Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 249

Özet

21. yüzyılda enerji üretimi, enerji depolama ve küresel ısınma dünya genelindeki tüm ülkeler için en önemli ve sorun teşkil eden konular arasında yer almaktadır. Küresel nüfus artışı, ekonomik büyümenin hızlanması, artan enerji talebi ve iklim değişikliği gibi faktörler, çevrenin korunmasını sağlamak amacıyla yenilenebilir enerji kaynaklarıyla desteklenen bir gelecek planlanmayı zorunlu kılmaktadır. Enerji taleplerini karşılamak için fosil yakıtlara olan bağımlılığı azaltarak yenilenebilir enerjilerin (güneş enerjisi, rüzgâr enerjisi, gelgit enerjisi, biyomalzemeler vb.) uygun maliyetli, çevreye duyarlı verimli cihazlarda üretilmesi ve depolanması gerekmektedir. Ulaşım, elektronik cihazlar, enerji ve sanayi gibi çeşitli sektörlerde kesintisiz güç sağlamak amacıyla enerjiyi depolayıp ihtiyaç duyulduğunda kullanabilen yenilikçi enerji depolama sistemlerine duyulan ihtiyaç her geçen gün artmaktadır. Bu bağlamda, enerji depolama son derece kritik bir öneme sahiptir ve elektrokimyasal enerji depolama cihazları bu alanda temel araçlar arasında yer almaktadır. Süperkapasitörler, şarj edilebilir piller gibi çözümler, mevcut enerji taleplerini karşılamak için etkili ve sürdürülebilir seçenekler sunmaktadır. Özellikle lityum iyon piller, şarj edilebilir piller arasında yüksek enerji yoğunluğu, uzun çevrim ömrü, taşınabilirlik ve güvenlik avantajlarıyla öne çıkmaktadır. Lityum iyon pillerin performanslarının artırılması, enerji depolama ve üretimdeki zorlukların üstesinden gelmede büyük önem arz eder. Gelişmiş performanslı elektronik cihazların (akıllı telefonlar, tabletler, akıllı saatler ve dizüstü bilgisayarlar vb.) ile elektrikli/hibrit araçların sürekli enerji talebini karşılamak için yüksek spesifik elektrot enerjisine (birim kütle başına enerji) ve üstün enerji yoğunluğuna (birim hacim başına enerji) sahip etkili malzemelerin geliştirilmesi gerekmektedir. Son dönemde lityum iyon pil teknolojisindeki gelişmeler, bu tür elektronik ürünlerin taşınabilirliğini artırmakta ve ayrıca lityum iyon pilleri elektrikli araçların başlıca güç kaynağı haline getirmektedir. Elektrikli/hibrit araçların artan kullanımıyla birlikte, lityum iyon pillerde yüksek kapasiteli elektrot aktif malzemelerin geliştirilmesi, daha yüksek enerji yoğunluklarına ulaşarak uzun sürüş menzillerini daha az şarjla karşılayabilme hedefi için kritik öneme sahiptir. Lityum iyon piller, katot (pozitif elektrot), anot (negatif elektrot), elektrolit ve seperatörden oluşmaktadır. Şarj ve deşarj sırasında lityumun interkalasyonu ve deinterkalasyonunun tersinir reaksiyonu, lityum iyon pil hücresinin anot kısmında gerçekleşmektedir. Bu nedenle anot malzemeleri, lityum iyon pillerin enerji depolama sürecinde kritik bir role sahiptir. Grafit, ticari lityum iyon pillerde yaygın olarak kullanılan bir anot malzemesidir. Lityum interkalasyonu için düşük bir potansiyele sahip olan grafit, aynı zamanda iyi bir çevrim kararlılığı da gösterir. Ancak, grafitin teorik kapasitesi (372 mAh g−1) düşük olduğundan, yüksek enerji talebi ve yüksek akım yoğunluğu gerektiren uygulamalar için ideal bir seçenek değildir. Lityum iyon pillerin performansını artırmak için yüksek enerji depolama kapasitesine sahip yeni malzemelerin araştırılması gerekmektedir. Geleceğin aktif malzemeleri, yüksek kapasite göstermelerinin yanı sıra uygun maliyetli, doğada bol miktarda bulunan, çevre dostu ve güvenli işletilebilir olmalıdır. Bu özellikler, lityum iyon pillerin geniş uygulama alanlarına yayılmasını ve enerji depolama sistemlerinin daha sürdürülebilir hale gelmesini sağlayacaktır. Silisyum (Si)/silisyum esaslı oksit bileşikleri (SiO, SiO2, SiOx ve SiOC), yüksek teorik kapasiteleri, doğada bol bulunmaları, düşük maliyetleri, çevre dostu ve kolay sentezlenebilirlikleri nedeniyle yüksek enerjili lityum piller için en yüksek kullanım potansiyeline sahip malzemeler arasında yer almaktadır. Si, en yüksek teorik kapasiteye (4200 mAh g−1, Li22Si5) sahip olduğundan ticari anotlara alternatif bir malzeme olarak öne çıkmaktadır. Ancak, (de)lithasyon süreci sırasında büyük hacim genişlemesi (400% kadar, Li22Si5), düşük elektriksel iletkenliği ve düşük lityum iyonu difüzyon kinetiği gibi faktörler silisyumun anot olarak performansını sınırlamaktadır. Buna karşın, silika (SiO2), silisyuma kıyasla düşük genleşme hacmi (%100), düşük deşarj potansiyeli (

Özet (Çeviri)

In the 21st century, energy storage, energy production, and global warming are paramount concerns for all countries worldwide. Global population growth, accelerated economic development, increasing energy demand, and climate change necessitate planning for a future powered by renewable energy sources to mitigate environmental impacts and sustain global ecosystems. To meet energy demands while reducing reliance on fossil fuels, renewable energies (such as tidal, solar, wind, hydroelectric, geothermal energy, and biomass, etc.) need to be produced and stored in cost-effective, environmentally friendly, and efficient devices. With the extensive exploration of green and sustainable energy sources, there has been a growing need for innovative development of electrochemical energy storage and conversion technologies to handle the electricity generated from these intermittent sources. Among the various electrochemical energy storage and conversion technologies, lithium-ion batteries (LIBs) are considered some of the most reliable, efficient, and practical devices. They are widely used in applications such as electric vehicles, portable electronics, aerospace, medical instruments, stationary power plants and other fields. This is due to their high energy and power densities, relatively long cycle life, portability, and safety advantages. Along with the updates in consumer electronic devices (smartphones, tablets, smartwatches, and laptops), the booming of electric/hybrid vehicles, and the growth of renewable energy stations, there is a demand for next-generation LIBs with high specific energy (energy per unit mass) and superior energy density (energy per unit volume) with long cyclability to meet their continuous energy demand/storage needs. To further increase energy density, enhance the portability of electronic devices and extend the mileage of electric vehicles on a single charge, developing LIBs has been identified as an effective approach. LIBs consist of a cathode (positive electrode), an anode (negative electrode), electrolyte, and a separator. During charging and discharging, the reversible intercalation and deintercalation of lithium ions (Li+) predominantly occur at the anode of the LIB cell. Therefore, advanced anode materials with high capacity are crucial to meet the ever-growing requirements for high performance LIBs and play a critical role in the energy storage process. Currently, conventional intercalation-type graphite is widely used as an anode material in commercial LIBs due to its high reversibility and good cycle stability. However, graphite has a relatively low theoretical capacity (372 mAh g−1), and poor rate performances, making it unsuitable for applications with high energy demand and high current density. Other commercial anode materials, such as lithium titanate, also have drawbacks including low specific capacity (175 mAh g−1), high Li+ insertion potential, and low electrical conductivity, that limit their use in high-energy applications. Thus, it is necessary to exploit high energy storage capacity materials to further enhance the performance of LIBs while ensuring they are cost-effective, abundant in nature, environmentally friendly, and safe to operate. These attributes will promote the extensive deployment of LIBs in various applications, thereby enhancing the sustainability of energy storage systems Silicon (Si) and silicon-based oxide materials (SiO, SiO2, SiOx, and SiOC) are among of the most promising candidates for next generation high-energy density LIBs due to their higher theoretical capacities, abundant reserves and environmental friendliness. Si has been extensively investigated as a promising alloy-type anode material for commercial anodes because of its ultrahigh theoretical capacity (4200 mAh g−1 for Li22Si5 phase) and relatively low delithiation voltages (0.2–0.3 V vs. Li/Li+). However, the significant volume fluctuation of Si during Li+ insertion/extraction, (up to 400%, Li22Si5) induces mechanical failure, such as pulverization and cracking, drastically reducing its cycling stability. Additionally, Si anodes suffer from low electrical conductivity, and low lithium-ion diffusion kinetics, limiting their performance and hampering their commercial application. Furthermore, the production of Si involves a large environmental footprint including high temperatures (1900 °C), significant energy input (15 MWh T−1 Si), and high CO2 emissions (4.7 kg CO2 kg−1 Si). In parallel, silica (SiO2) offers several advantages, including as smaller expansion volume (100%), lower operation potential (

Benzer Tezler

  1. Tez No

    853229

    Sodyum iyon pillere üç boyutlu yenilikçi yaklaşımlar

    Innovative three-dimensional approaches to sodium-ion batteries

    SIDIKA YILDIRIM GÜLTEKİN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Metalurji MühendisliğiSakarya Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HATEM AKBULUT

  2. 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

    İngilizce

    2022

    Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ABDÜLKADİR SEZAİ SARAÇ

    PROF. DR. YÜCEL ŞAHİN

  3. Tez No

    865523

    Enerji depolama için grafen tabanlı üç boyutlu elektrot malzeme uygulamaları

    Graphene-based three-dimensional electrode material applications for energy storage

    DENİZ KURUAHMET

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    EnerjiSakarya Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MEHMET OĞUZ GÜLER

  4. Tez No

    746131

    Application of two dimensional and high surface area materials in energy conversion and storage devices

    Enerji dönüştürme ve depolama cihazlarında iki boyutlu ve yüksek yüzey alanlı malzemelerin uygulanması

    ONUR ERGEN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiUniversity of California Berkeley

    Fizik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALEX ZETTL

  5. Tez No

    733107

    Development of composite anode materials for high capacity sodium-ion batteries

    Sodyum iyon piller için yüksek kapasiteli kompozit anot malzemelerinin geliştirilmesi

    ÖMER EROĞLU

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HÜSEYİN KIZIL

Geri Dön