Geri Dön

Çinko-iyon sulu bataryalar için katot malzemelerin geliştirilmesi

Development of cathode materials for zinc-ion aqueous batteries

PDF İndir

  1. Tez No: 918210
  2. Yazar: SELİN SARIYER
  3. Danışmanlar: PROF. DR. REZAN DEMİR ÇAKAN
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: Gebze Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 230

Özet

Çinko, enerji depolama sistemlerinin geliştirilmesinde kritik bir rol oynamış ve tarihsel olarak öncelikle alkalin bazlı şarj edilemeyen birincil pillerde kullanılmıştır. Bu birincil piller, enerji depolama teknolojilerinin ticarileştirilmesinde önemli başarılar elde etmiş ve günümüzde pil pazarının kayda değer bir bölümünü oluşturmuştur. 2011 yılında tekrar şarj edilebilir“sulu çinko iyon pil”sistemi önerilmiştir. Bu pil sistemi, düşük maliyeti, güvenilirliği, çevre dostu özellikleri, çinko metalinin sulu elektrolitlerde yüksek kararlılığı ve yüksek teorik kapasitesi (820 mAh/g) avantajları sayesinde büyük ölçekli enerji depolama sistemleri için oldukça umut vadeden bir alternatif olarak ön plana çıkmaktadır. Bu nedenle, tersinir olarak çinko iyonların interkalasyonunu sağlayabilen katot malzemelerin geliştirilmesine odaklanılmıştır. Bu amaç doğrultusunda, sulu şarj edilebilir çinko iyon pillerin performansını ve kararlılığını arttırmak için vanadyum-bazlı bileşikler, mangan-bazlı bileşikler, organik elektrotlar ve Prusya mavisi analogları gibi çeşitli katot malzemeler araştırılmıştır. Bu tez çalışmasında, sulu çinko iyon bataryalarda kullanılmak üzere dört farklı katot malzemeleri geliştirilmiş ve birbirlerine göre üstünlükleri tartışılmıştır. Öncelikle mikrodalga-destekli hidrotermal yöntem ile K1.92Mn0.54V2O5·H2O elektrot malzemesi sentezlenmiş ve 3 M Zn(CF3SO3)2 sulu elektrolitte elektrokimyasal performansı ve yük depolama mekanizması yerinde Elektrokimyasal kuvars kristali mikro terazisi (EQCM) yöntemi ile incelenmiştir. Ticari V2O5'e kıyasla hidratlı vanadyumun katmanları arasında bulunan K+ ve Mn+2 iyonları sayesinde kapasite ve stabilite iyileştirilmiştir. Ayrıca, yerinde EQCM çalışması hem protonun hem de Zn+2'nin yük depolama mekanizmasına katıldığını göstermiştir. Alkali pillerde katot malzemesi olarak kullanılan MnO2 temelli katot malzeme de hidrotermal yöntem ile sentezlenmiştir. β-MnO2'nin elektrokimyasal performansını iyileştirmek için Mn+2 iyonlarıyla geleneksel bağlayıcı olan Polivinilidin florür (PVdF)'e göre kuvvetli bağlanma enerjisine sahip karboksil, hidroksil, asetil grubu içeren çeşitli çapraz bağlı bağlayıcılar kullanılmıştır. Böylece, Mn+2 iyonların Jahn-Teller etkisine göre elektrokimyasal performans sırasında elektrolit içerisine çözünmesi baskılanmıştır. İletken polimer, Poli̇ orto feni̇lenedi̇ami̇n (PoPD) elektro kaplama yönemiyle 1000 CV çevrimde grafit plaka üzerine sentezlenmiş ve 1 M ZnSO4 elektrolitte performansı incelenmiştir. İleri elektrokimyasal teknik olan yerinde EQCM analizi ile redoks reaksiyonuna protonun ve Zn+2 iyonların katıldığı ortaya koyulmuştur. Son olarak, çöktürme yöntemiyle Fe4III[FeII(CN)6]3·5.9H2O elektrot malzemesi sentezlenmiş ve sodyum ve çinko tuzları içeren hibrit sulu elektrolitte elektrokimyasal performansı iyileştirilmiştir. Bu çalışmalar sonucunda, K1.92Mn0.54V2O5·H2O (222 Wh/kg), PoPD (46 Wh/kg), β-MnO2 (195 Wh/kg) ve Fe4III[FeII(CN)6]3·5.9H2O (40 Wh/kg) için enerji yoğunlukları hesaplanmıştır. Elde edilen veriler, vanadyum ve mangan bazlı bileşiklerin sulu çinko iyon bataryalar için uygun katot adayları olduğunu göstermektedir.

Özet (Çeviri)

Zinc metal has played a critical role in the development of energy storage systems and has historically been used primarily in alkaline-based non-rechargeable primary batteries. These primary batteries have achieved significant success in the commercialization of energy storage technologies and now account for a significant portion of the battery market. In 2011, the first rechargeable“aqueous zinc ion battery”system was proposed. This battery system stands out as a very promising alternative for large-scale energy storage systems due to its low cost, reliability, environmentally friendly properties, high stability of zinc metal in aqueous electrolytes and high theoretical capacity (820 mAh/g). Therefore, the development of cathode materials capable of reversibly intercalating zinc ions was focused. For this purpose, various cathode materials such as vanadium-based compounds, manganese-based compounds, organic electrodes and Prussian blue analogs have been investigated to improve the performance and stability of aqueous rechargeable zinc ion batteries. In this thesis, four different cathode materials were developed for use in aqueous zinc ion batteries and their advantages over each other were discussed. K1.92Mn0.54V2O5·H2O electrode material was synthesized by microwave-assisted hydrothermal method and its electrochemical performance and charge storage mechanism in 3 M Zn(CF3SO3)2 aqueous electrolyte were investigated by in situ electrochemical quartz crystal microbalance (EQCM) method. Compared to commercial V2O5, the capacity and stability were improved due to the presence of K+ and Mn+2 ions between the layers of hydrated vanadium. Moreover, the in situ EQCM study showed that both proton and Zn+2 participate in the charge storage mechanism. MnO2 based cathode material used as cathode material in alkaline batteries was also synthesized by hydrothermal method. In order to improve the electrochemical performance of β-MnO2 synthesized by hydrothermal method, various cross-linked linkers containing carboxyl, hydroxyl, acetyl groups with strong binding energy compared to Polyvinylidine fluoride (PVdF) with Mn+2 ions were used. Thus, the dissolution of Mn+2 ions into the electrolyte during the electrochemical performance according to the Jahn-Teller effect was suppressed. The conducting polymer, poly ortho phenyleneediamine (PoPD) was synthesized by electroplating on graphite plate at 1000 CV cycles and its performance was investigated in 1 M ZnSO4 electrolyte. In situ EQCM analysis, an advanced electrochemical technique, revealed the participation of protons and Zn+2 ions in the redox reaction. Finally, Fe4III[FeII(CN)6]3·5.9H2O electrode material was synthesized by precipitation method and its electrochemical performance was improved in hybrid aqueous electrolyte containing sodium and zinc salts. As a result of these studies, energy densities were calculated for K1.92Mn0.54V2O5·H2O (222 Wh/kg), PoPD (46 Wh/kg), β-MnO2 (195 Wh/kg) and Fe4III[FeII(CN)6]3·5.9H2O (40 Wh/kg). The data obtained show that vanadium and manganese based compounds are suitable cathode candidates for aqueous zinc ion batteries.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    823203

    Design and synthesis of anthracenetetrone-based redox-active porousorganic polymer as a cathode material for zinc-ion batteries

    Çinko-iyon bataryalar için katot malzemesi olarak antrasentetron-esaslı redoks-aktif gözenekli organik polimerin tasarımı ve sentezi

    FERİT BEGAR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Kimyaİzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü

    Kimya Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ONUR BÜYÜKÇAKIR

  2. Tez No

    883214

    Heteroatom katkılı vanadyum dioksit malzemeler ile sulu çinko iyon batarya katotlarının geliştirilmesi

    Development of aqueous zinc ion battery cathode with heteroatom doped vanadium oxide materials

    SELAY AYDIN ŞAHİN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    EnerjiEskişehir Osmangazi Üniversitesi

    Elektrokimya ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ RECEP YÜKSEL

  3. Tez No

    889231

    Synthesis of quinone-based porous organic polymers and their usage in aqueous zinc-ion batteries

    Kinon bazlı gözenekli organik polimerlerin sentezlenmesi ve sulu çinko iyon pillerde kullanılması

    YAREN NAZ ERÖZEN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Kimyaİzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü

    Kimya Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ONUR BÜYÜKÇAKIR

  4. Tez No

    794476

    Fosfazen temelli organik katot malzemelerinin hazırlanması ve şarj edilebilir bataryalarda kullanılabilirlik potansiyellerinin araştırılması

    Preparation of phosphazene based organic cathode materials and investigation of usage potential in rechargeable batteries

    NAZMİYE KILIÇ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    KimyaGebze Teknik Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ADEM KILIÇ

    PROF. DR. SERKAN YEŞİLOT

  5. Tez No

    604496

    Çinko anot elektrotun sulu elektrolit içeren bataryalarda kullanımı

    Using zinc anode electrode in aqueous electrolyte containing batteries

    EREN DEMİR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    EnerjiGebze Teknik Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. REZAN DEMİR ÇAKAN

Geri Dön