Şarj edilebilir lityum-selenyum (li-SE) pillerin incelenmesi ve elektrokimyasal performansının geliştirilmesi
Investigation of rechargeable lithium-selenium (li-SE) batteries and improvement of electrochemical performance
- Tez No: 958793
- Danışmanlar: PROF. DR. REZAN DEMİR ÇAKAN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Gebze Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 190
Özet
Şarj edilebilir lityum-selenyum (Li-Se) piller, son zamanlarda selenyumun çeşitli avantajları nedeniyle lityum-kükürt (Li-S) pillere bir alternatif olabilecek pil sistemlerinden biri olarak öngörülmektedir. Bu avantajlardan biri, daha yüksek aktif malzeme kullanımı ve daha iyi hız performansları sergileyen selenyumun yarı iletken doğası nedeniyle Se'nin çok daha yüksek elektrik iletkenliğine sahip olmasıdır. Ayrıca, selenyum kükürte kıyasla önemli ölçüde daha yüksek bir yoğunluğa sahip olduğundan, Se'nin teorik hacimsel kapasite yoğunluğu S ile karşılaştırılabilir, bu durum da taşınabilir elektrikli cihazlar için önemli bir rol oynar. Ancak, Li-S pillerinde olduğu gibi, Li-Se pillerinin bu özelliklerine rağmen benzer problemlere sahip olduğu düşünülmektedir. Bu sorunlar, yapıya lityum alımı sırasında selenyumun hacimsel olarak genişlemesi (%97), çevrim sonunda son ürün olarak oluşan Li2Se'nin çözünmemesi ve homojen olmayan birikimi, eter bazlı organik elektrolitlerde yüksek oranda çözünebilen poliselenitlerin oluşması ve bunun sonucunda mekik etkisinin ortaya çıkmasıdır. Bu tez çalışmasında, öncelikle selenyum/karbon katot malzemesinin çalışma mekanizması çeşitli elektrokimyasal yöntemlerle incelenmiş, daha sonra Li-Se pillerin performansını artırmaya yönelik çalışmalar yapılmıştır. Farklı elektrolitlerde çözünme mekanizmasını incelemek amacıyla 4-elektrot hücresi ile in-situ CV testleri yapılmış ve çözünen poliselenit türleri nicel olarak belirlenmiştir. 3-elektrot hücresi ile gerçekleştirilen EIS analizleri sayesinde elektrolitlerdeki viskozite değişimleri takip edilerek çözünme davranışı desteklenmiştir. Ayrıca ex-situ UV çalışması ile de poliselenitlerin farklı elektrolitlerde çözünme mekanizması değerlendirilmiş, eter bazlı elektrolitlerde adsorban kullanımı ile UV çalışmasından elde edilen sonuçlar kıyaslanarak kantitatif analiz yapılmıştır. Li-Se çalışma mekanizmasının anlaşılmasının ardından, performans artışını hedefleyen elektrokatalizör yaklaşımları ve bağlayıcı etkileri araştırılmıştır. Bu kapsamda, katot malzemesine biri Al içeren metal-organik çerçeve (MOF) yapısında olan MIL-91(Al), diğeri ise hidrotermal yöntemle sentezlenen çevre dostu CuCo2O4 olmak üzere iki farklı elektroadsorbent/elektrokatalizör katkısı eklenmiştir. Katkıların ardından, son ürün olan Li2Se'nin karbonat bazlı elektrolitlerde homojen oluşumu ve oksidasyon davranışı incelenmiştir. Son olarak Li-Se pillerde çevrim sırasında meydana gelen hacimsel genişlemenin önüne geçebilmek için kendi kendini onaran bir bağlayıcı geliştirilmiştir. Tüm bu çalışmalar sonucunda Li-Se pillerin performans ve verimliliğinde kayda değer iyileştirmeler gözlemlenmiştir.
Özet (Çeviri)
Rechargeable lithium–selenium (Li-Se) batteries have recently emerged as a promising alternative to lithium–sulfur (Li-S) batteries, owing to the unique advantages of selenium. One of the key benefits is its much higher electrical conductivity, attributed to the semiconducting nature of selenium, which enables higher active material utilization and improved rate capability. Additionally, due to its significantly higher density compared to sulfur, selenium offers a theoretical volumetric capacity comparable to that of sulfur, making it highly relevant for portable electronic devices. However, despite these advantages, Li-Se batteries face challenges similar to those encountered in Li–S systems. These include: a substantial volume expansion (~97%) during lithium insertion; the formation of Li2Se as the final discharge product, which is poorly soluble and deposits inhomogeneously; and the generation of highly soluble polyselenides in ether-based organic electrolytes, which can lead to the well-known shuttle effect. In this thesis, the working mechanism of the selenium/carbon cathode material is first investigated using various electrochemical techniques, followed by studies aimed at enhancing the performance of Li-Se batteries. To examine the dissolution mechanism in different electrolytes, in-situ CV tests are conducted using a 4-electrode cell, enabling the quantitative identification of dissolved polyselenide species. EIS analyses performed with a 3-electrode cell allowed for monitoring viscosity changes in the electrolytes, thus supporting the dissolution behavior. Additionally, ex-situ UV-vis spectroscopy is employed to further evaluate the dissolution mechanisms of polyselenides in different solvents. In ether-based electrolytes, the influence of adsorbent addition is quantitatively assessed through comparative evaluation of the UV spectra. Following the understanding of the working mechanism of Li–Se batteries, approaches involving electrocatalysts and the effects of binders aimed at enhancing performance have been investigated. In this context, two different electrocatalyst/electroadsorbent additives were incorporated into the cathode material: one being MIL-91(Al), a metal-organic framework (MOF) structure containing aluminum, and the other being an environmentally friendly CuCo₂O₄ synthesized via a hydrothermal method. Following the addition of the catalysts, the homogeneous formation and oxidation behavior of the final product, Li₂Se, in carbonate-based electrolytes were investigated. Finally, to mitigate the volume expansion occurring during cycling, a self-healing binder is developed. As a result of these studies, significant improvements in the performance and efficiency of Li-Se batteries are achieved.
Benzer Tezler
- Şarj edilebilir lityum-sülfür (Li-S) ve sodyum-sülfür (Na-S) bataryaların elektrokimyasal performansının geliştirilmesi
Improvement of the electrochemical performance of rechargeable lithium-sulfur (Li-S) and sodium-sulfur (Na-S) batteries
ELİF CEYLAN CENGİZ
Doktora
İngilizce
2019
EnerjiGebze Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. REZAN DEMİR ÇAKAN
- Anodun titanyum dioksit (TİO2) katkılı poli (etilen oksit) (PEO) nanokompozit ile kaplanarak lityum-iyon pilin performansının arttırılması
Improving the performance of li-iyon battery by coating anode with titanium dioxide (TİO2) added poly (ethylene oxide) nanocomposite
EYÜP AKBULUT
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Metalurji MühendisliğiOndokuz Mayıs ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ENGİN BURGAZ
- Şarj edilebilir lityum bataryalarda katot aktif madde olarak kullanılan LiMn2O4 bileşiğinin çoklu katyon katkılama ile döngü performansının iyileştirilmesi
Improving cycle performance of LiMn2O4 as cathode material for rechargeable lithium batteries, by multiple cation doping
NİLAY AKKUŞ
- Şarj edilebilir lityum-sülfür (Li-S) pillerde elektro eğirme yöntemi kullanılarak katot performansının geliştirilmesi
Improving cathode performance using electrospinning method in rechargeable lithium-sulfur (Li-S) batteries
FATİH ALTUN
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
EnerjiMarmara ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUSTAFA ŞENGÖR
DOÇ. DR. DAMLA EROĞLU PALA
- Development of novel borate-based positive electrode materials for rechargeable lithium batteries
Şarj edilebilir lityum piller için yeni borat tabanlı pozitif elektrot malzemelerinin geliştirilmesi
SEMİH AFYON
Doktora
İngilizce
2013
EnerjiEidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH)Kimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. REİNHARD NESPER