Biyokütle tabanlı karbon eldesi ve yüksek performanslı lityum-sülfür bataryaları için ZnNi2S4/C katot tasarımı
ZnNi2S4/C cathode design for biomass-based carbon session and high performance lithium-sulfur batteries
- Tez No: 934341
- Danışmanlar: DOÇ. DR. RECEP TAŞ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Biyoteknoloji, Biotechnology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Bartın Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 118
Özet
Dünya nüfusunun hızla artmasıyla teknoloji gelişmiş ve enerjiye olan talep artış göstermiştir. Fosil yakıtların yeryüzünde hızlı tükenmesiyle birlikte, yüksek performanslı enerji depolama teknolojisine olan talep gittikçe artmaktadır. Enerji depolamada ticari olarak kullanılan Lityum-iyon pilleri büyük ölçüde geliştirilmiştir. Ancak bu pillerinin katot malzemesinin sınırlı kapasitesinden ileri gelen düşük enerji kapasitesine (150-200 Wh/kg) ve yüksek maliyete sahip olmasından dolayı modern taşınabilir elektronik aygıtların ve özellikle elektrikli araçların kullanım süreleri kısıtlanmakta ve maliyetleri yükselmektedir. Lityum-iyon pillerinin dezavantajlarını göz önüne aldığımız zaman alternatif olarak birçok enerji depolama aygıtı geliştirilmektedir. Bunlar arasında, teorik olarak yüksek enerji kapasiteli (2600 Wh/kg), düşük maliyetli ve toksik olmayan lityum-sülfür batarya teknolojisi yer almaktadır. Lityum-sülfür bataryaları mevcut enerji ve çevre sorunlarının çözülmesinde büyük bir potansiyele sahiptir. Ancak, sülfürün yalıtkan olması, çevirim esnasında oluşan polisülfür gibi yan ürünlerin anot ile katot arasında serbestçe dolaşması (PSS etkisi) ve çevirim boyunca sülfürün hacimce genişlemesinden (% 80) dolayı bataryanın enerji kapasitesi ve kararlılığı beklenenden çok düşük seviyelerde kalmaktadır. Bu sorunları bertaraf edebilmek için karbon temelli malzemeler, metal oksitler, iletken polimerler, metal sülfürler kullanılarak sülfür-katot tasarımları geliştirilmektedir. Bunların arasından, yüksek elektriksel iletkenliğine, geniş aktif yüzey alanına ve oluşan polisülfürlerin yapısında güçlü bir şekilde tutabilme yeteneğine sahip metal sülfürlerin lityum-sülfür bataryasının ticarileşmesinde en büyük potansiyele sahip olabileceği aktif karbonlar kullanılabilmektedir. Aktif karbonlar, değişken boyutlu yapısı, yüksek iletkenliği ve tokluğu, büyük gözenek hacmi, spesifik yüzey alanı ve düşük maliyetli olması nedeniyle tercih edilen bir maddedir. Aktif karbonlar organik atıklardan elde edilebilmektedir. En çok tercih edilenler arasında keten bitkisi yer almaktadır. Keten lignin içeriğinin yüksek olmasından kaynaklı gözenekli bir yapı oluşturmaktadır ve aktif karbon içeriği fazla bulunmaktadır. Yapılan literatür araştırmalarına baktığımız zaman sülfür-katot tasarımında genellikle ikili metal sülfürler (binary) kullanılmıştır. İkili metal sülfürlere kıyasla, daha yüksek elektriksel iletkenlik, aktif yüzey alanı ve katyon yoğunluğuna sahip üçlü metal sülfürler, lityum-sülfür bataryalarında sülfür-katot yapımında sadece birkaç çalışmanın yapıldığı görülmüştür. Buradan hareket ile Nikel-Sülfür ikili metal sülfür matrisine çinko (Zn+2) metal katyonları ayrı ayrı eklenerek ZnNi2S4 yapılı tiyospinel üçlü metal sülfür sentezlenmiştir. Bu tez çalışması ile biyokütle kullanılarak aktif karbonların elde edilmesi, ZnNi2S4'ün mikrodalga yöntemi ile sentezlenmesi ve yüksek performanslı lityum-sülfür bataryaları için AK/S/ZnNi2S4 karbon katot çalışılmıştır. Bu çalışma ile, S/ZnNi2S4 elektrotun 0,24 C'de kısa vadeli çevrim stabilitesi incelendi. 0.24 C akım yoğunluğundan sonraki ilk çevrim katot kapasitesi 617.18 mAhg–1 olarak ölçüldü. 50., 100. ve 200. çevrimlerde katot kapasiteleri sırasıyla 395.91, 343.22 ve 288.13 mAhg–1 olarak belirlendi. S/ZnNi2S4 elektrotunun kapasitesi 0,24 C akım yoğunluğunda ilk çevrimden 100. çevrime %44,38 oranında kapasitesini korurken, 100 ile 200'e ise %83,63 oranında kapasitesini korumuştur. AK/S/ZnNi2S4 elektrotun 0,24 C'de kısa vadeli çevrim stabilitesi test edildi. 0.24 C akım yoğunluğundan sonraki ilk çevrim katot kapasitesi 847.44 mAhg–1 olarak ölçüldü. 50., 100. ve 200. çevrimlerde katot kapasiteleri sırasıyla 404.36, 344.66 ve 307.49 mAhg–1 olarak belirlendi. AK/S/ZnNi2S4 elektrotunun kapasitesi 0,24 C akım yoğunluğunda ilk çevrimden 100. çevrime %59,3 oranında kapasitesini korurken, 100 ile 200 arasındaki çevrimde %89,2 kapasitesini korumuştur. Bu bulgular, aktif karbonun gözenekli yapısı ve yüksek elektriksel iletkenliği, çalışmada kapasite artışı sağladığını ortaya koymuştur.
Özet (Çeviri)
With the rapid increase in the world population, technology has advanced and the demand for energy has increased. With the rapid depletion of fossil fuels on earth, the demand for high performance energy storage technology is increasing. Lithium-ion batteries used commercially for energy storage have been greatly improved. However, the low energy capacity (150-200 Wh/kg) and high cost of these batteries due to the limited capacity of the cathode material limit the lifetime of modern portable electronic devices, especially electric vehicles, and increase their cost. Considering the disadvantages of lithium-ion batteries, many alternative energy storage devices are being developed. Among these is lithium-sulfur battery technology, which has a theoretically high energy capacity (2600 Wh/kg), low cost and non-toxic. Lithium-sulfur batteries have great potential to solve current energy and environmental problems. However, due to the insulating nature of sulfur, the free movement of by-products such as polysulfide between the anode and cathode (PSS effect), and the volume expansion of sulfur (80%) during the cycle, the energy capacity and stability of the battery are much lower than expected. In order to overcome these problems, sulfur-cathode designs are being developed using carbon-based materials, metal oxides, conductive polymers and metal sulfides. Among these, activated carbons, which have high electrical conductivity, large active surface area and the ability to strongly retain the formed polysulfides in their structure, may have the greatest potential for the commercialization of metal sulfides in the lithium-sulfur battery. Activated carbons are a preferred material due to their variable size structure, high conductivity and toughness, large pore volume, specific surface area and low cost. Activated carbon can be obtained from organic wastes. Flax plant is among the most preferred ones. Flax creates a porous structure due to its high lignin content and has a high activated carbon content. When we look at the literature studies, binary metal sulfides (binary) are generally used in sulfur-cathode design. Compared to binary metal sulfides, ternary metal sulfides, which have higher electrical conductivity, active surface area and cation density compared to binary metal sulfides, have only a few studies on sulfur-cathode construction in lithium-sulfur batteries. Therefore, ZnNi2S4 structured thiospinel ternary metal sulfide was synthesized by adding zinc (Zn+2) metal cations separately to nickel-sulfur binary metal sulfide matrix. In this thesis, activated carbons using biomass, synthesis of ZnNi2S4 by microwave method and ZnNi2S4-carbon cathode for high performance lithium-sulfur batteries were studied. In this study, the short-term cycling stability of the S/ZnNi2S4 electrode at 0.24 C was investigated. The first cycle cathode capacity after 0.24 C current density was measured as 617.18 mAhg-1. At the 50th, 100th and 200th cycles, the cathode capacities were 395.91, 343.22 and 288.13 mAhg-1, respectively. At a current density of 0.24 C, the capacity of the S/ZnNi2S4 electrode maintained 44.38% from the first cycle to the 100th cycle and 83.63% from 100 to 200 cycles. The short-term cycling stability of the AK/S/ZnNi2S4 electrode at 0.24 C was tested. The first cycle cathode capacity after 0.24 C current density was 847.44 mAhg-1. At the 50th, 100th and 200th cycles, the cathode capacities were 404.36, 344.66 and 307.49 mAhg-1, respectively. The capacity of the AK/S/ZnNi2S4 electrode maintained 59.3% from the first cycle to the 100th cycle at a current density of 0.24 C, while it maintained 89.2% capacity between 100 and 200 cycles. These findings revealed that the porous structure and high electrical conductivity of activated carbon provided capacity increase in the study.
Benzer Tezler
- Utilizing some forest biomass as supercapacitor electrode material
Orman biyokütlelerinin süperkapasitör elektrot malzemesi olarak kullanımı
YAREN BUMİN
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HANZADE AÇMA
- Carbon dioxide capture by adsorption on a biomass based activated carbon
Biyokütle tabanlı aktif karbon üzerinde adsorpsiyon ile karbon dioksityakalama
SAHAND SAEIDI HARZAND
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Çevre MühendisliğiSabancı ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ALP YÜRÜM
- Biyokütle tabanlı enerji üretimi için santral fizibilite çalışması: bir vaka analizi
Biomass-based energy production plant feasibility study : a case analysis
YASİR TÜMAY DOST
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
EnerjiYalova ÜniversitesiEnerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ CEMİL KOYUNOĞLU
- Modeling, optimization, and analysis of a combined heat and power plant with biomass gasification using aspen plus
Aspen plus ile biyokütle gazlaştırma kullanan bir kombine ısı ve enerji santralinin modellenmesi ve optimizasyonu
AHMET KEREM ALGÜZEY
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HANZADE AÇMA
- KBRN filtreleri için aktif karbon tabanlı polivinilklorür polimerlerin elektroeğirme yöntemi ile üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of activated carbon-based polyvinylchloride polymers for CBRN filters by electrospinning method
FURKAN KÜÇÜK
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
KimyaSelçuk ÜniversitesiKimyasal, Biyolojik, Radyolojik ve Nükleer Savunma Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SERDAR KARAKURT