Alüminyum iyon bazlı enerji depolama sistemlerinin geliştirilmesi
Development of aluminium based energy storage systems
- Tez No: 968011
- 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: 151
Özet
Günümüzde lityum iyon bataryalar (LIB), yüksek enerji yoğunlukları, yüksek deşarj kapasiteleri gibi avantajları sebebiyle taşınabilir cihazlar ve elektrikli araçlar gibi büyük ölçekli enerji depolama sistemleri global pazarını domine etmektedir. LIB teknolojisi alanındaki gelişmeler devam ederken, katot tarafında yüksek derecede yanıcı elektrolitlerin ve toksik ağır metallerin kullanımına ilişkin bazı endişeler bulunmaktadır. Bunun yanında lityum rezervlerinin gelecekte tükenme tehdidi, araştırmacıların enerji depolama sistemleri için alternatif kimyalar aramaları için itici güç olmuştur. Lityum metaline alternatif olarak, alüminyumun, nispeten düşük maliyeti, güvenliği, kullanım kolaylığı ve üç değerlikli iyonlardan, üç elektron transferine izin verme yeteneği göz önüne alındığında, LIB'lere rakip olabilecek potansiyelde çalışma alanı sunmaktadır. Aynı zamanda alüminyum dünyada en çok bulunan metallerden birisidir ve gravimetrik ve hacimsel enerji yoğunluğu da Li ile kıyas edilebilir boyuttadır (teorik gravimetrik kapasitesi 2,98 Ah/g, teorik hacimsel kapasitesi 8,04 Ah/cm3). Elektrolit içerisinde Al katyonunun (53,5 pm), Li katyonundan (76 pm) daha küçük bir iyonik yarıçapa sahip olması da interkalasyon mekanizması için umut verici bir aday olarak alüminyumun gösterilmesine neden olmuştur. Bu tez çalışması, Al iyon bataryaların (AIB) enerji depolama teknolojilerinde, güvenli, ekonomik ve sürdürülebilir bir alternatif olarak araştırılması, performanslarının optimize edilmesi ve sistemde karşılaşılan temel zorlukların çözülmesine odaklanmak amacıyla yürütülmüştür. Al iyonunun yapıya interkalasyonu/deinterkalasyonu sürecine uygun elektrot ve elektrolit malzemelerinin tasarımı, sulu ve iyonik elektrolitler içerisinde elektrokimyasal performansının optimize edilmesi, hidrojen oluşum reaksiyonu gibi parasitik yan reaksiyonlarının önüne geçmek amacıyla akım toplayıcı optimizasyonu, elektrot-elektrolit uyumlu malzeme geliştirme ve ileri karakterizasyon teknikleri ile mekanizmaların aydınlatılması hedeflenmiştir. Bu amaçla, farklı akım toplayıcıların (paslanmaz çelik, titanyum, nikel ve grafit plaka) sulu elektrolit içerisindeki elektrokimyasal, yapısal karakterizasyonları ve korozyon davranışları döngüsel voltammetri (CV), lineer polarizasyon direnci (LPR), Tafel ekstrapolasyon metodu ve taramalı elektron mikroskopisi (SEM) yöntemleriyle gerçekleştirilmiştir. Al metalinin anot olarak kullanılması durumunda karşılaşılan düşük çevrim ömrü ve metal korozyonunun iyileştirilmesi amacıyla, Al anot metali farklı kalınlıklarda ve kaplama çözeltisi bileşimlerinde kaplanarak korunması incelenmiştir. Bunun yanı sıra Al metalinin anot olarak kullanılmasına alternatif olan inorganik metal oksit TiO2 sol-gel metoduyla sentezlenmiş ve elektrokimyasal performansları ve korozyona karşı verdiği davranışlar LPR, Tafel, galvanostatik şarj-deşarj (GCD), CV yöntemleriyle belirlenmiştir. İnorganik elektrotlara alternatif olarak geliştirilen ve organik katot olarak kullanılan THAQ ve TQC, Al iyon bataryalar için uygun elektrot malzemelerinin olup olmadığı, iki farklı elektrolit sisteminde (sulu ve iyonik sıvı elektrolitlerde) GCD, CV ve LSV elektrokimyasal yöntemleriyle araştırılmış ve reaksiyon mekanizmaları, ileri karakterizasyon tekniği olan operando AT-IR ve ex-situ karakterizasyon (IR, SEM, SEM-EDS) metotları kullanılarak aydınlatılmıştır.
Özet (Çeviri)
Lithium-ion batteries (LIBs) dominate the global market for large-scale energy storage systems such as portable devices and electric vehicles due to their advantages such as high energy density and high discharge capacity. While developments in LIB technology continue, there are some concerns about the use of highly flammable electrolytes and toxic heavy metals on the cathode side. In addition, the threat of future depletion of lithium reserves has been a driving force for researchers to look for alternative chemistries for energy storage systems. As an alternative to lithium metal, aluminum has the potential to rival LIBs, given its relatively low cost, safety, ease of use and ability to allow the transfer of three electrons from trivalent ions. At the same time, aluminum is one of the most abundant metals in the world and its gravimetric and volumetric energy density is comparable to Li (theoretical gravimetric capacity 2.98 Ah/g, theoretical volumetric capacity 8.04 Ah/cm3). The fact that the Al cation (53.5 pm) has a smaller ionic radius than the Li cation (76 pm) in the electrolyte has led to aluminum as a promising candidate for the intercalation mechanism. This thesis was carried out to investigate aluminum ion batteries (AIB) as a safe, economical and sustainable alternative in energy storage technologies, focusing on optimizing their performance and solving the main challenges encountered in the system. The design of electrode and electrolyte materials suitable for the intercalation/deintercalation process of aluminum ion into the structure, optimization of electrochemical performance in aqueous and ionic electrolytes, current collector optimization in order to prevent parasitic side reactions such as hydrogen formation reaction, electrode-electrolyte compatible material development and elucidation of mechanisms with advanced characterization techniques were aimed. For this purpose, electrochemical, structural characterizations and corrosion behaviors of different current collectors (stainless steel, titanium, nickel, graphite plate) in aqueous electrolyte were carried out by cyclic voltammetry (CV), linear polarization resistance (LPR), Tafel extrapolation method and scanning electron microscopy (SEM). In order to improve the low cycle life and metal corrosion encountered when Al metal is used as an anode, the Al anode metal was coated with different thicknesses and coating solution compositions and its protection was investigated. The electrochemical behavior of the coated Al anode was investigated in different electrolytes. The electrochemically stable voltage ranges were determined by linear scanning voltammetry (LSV). In addition, inorganic metal oxide TiO2, which is an alternative to the use of Al metal as an anode, was synthesized by sol-gel method and its electrochemical performances and corrosion behaviors were determined by LPR, Tafel, galvanostatic charge-discharge (GCD), CV methods. The suitability of THAQ and TQC organic cathodes developed as alternatives to inorganic electrode materials for Al ion batteries was investigated in two different electrolyte systems (aqueous and ionic liquid) using electrochemical techniques such as GCD, CV, and LSV. The reaction mechanisms were elucidated through advanced characterization methods including operando ATR-IR spectroscopy and ex-situ (IR, SEM, SEM-EDX) analytical techniques.
Benzer Tezler
- Al-iyon bataryalar için cus/ ni köpük elektrot üretimi ve elektrokimyasal özelliklerinin incelenmesi
Production of cus/ni foam electrode for al-ion batteries and investigation of their electrochemical properties
REYHAN SOLMAZ
Doktora
Türkçe
2025
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖZGÜL KELEŞ
- Sol-jel yöntemi uygulanarak ZrO2 ile yüzey modifikasyonu yapılmış LiMn2o4 yapısının sentezlenmesi ve katot aktif malzemesi olarak incelenmesi
SOL-JEL YÖNTEMİ UYGULANARAK ZrO2 İLE YÜZEY MODİFİKASYONU YAPILMIŞ LiMn2O4 YAPISININ SENTEZLENMESİ VE KATOT AKTİF MALZEMESİ OLARAK İNCELENMESİ
MEHMET EMRE ÇETİNTAŞOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖZGÜL KELEŞ
- Enerji depolama için grafen tabanlı üç boyutlu elektrot malzeme uygulamaları
Graphene-based three-dimensional electrode material applications for energy storage
DENİZ KURUAHMET
Doktora
Türkçe
2023
EnerjiSakarya ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET OĞUZ GÜLER
- Investigation of the catalytic performance of tin nanowires produced by aluminum anodic oxide template method for electrochemical CO2 reduction
Alüminyum anodik oksit şablon yöntemiyle üretilen kalay nanotellerin elektrokimyasal CO2 redüksiyonuna yönelik katalitik performansinin i̇ncelenmesi
DİLAN ER GÖNÜL
Doktora
İngilizce
2023
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA KAMİL ÜRGEN
- Synthesis of silicon-graphene composite anode via magnesiothermic reduction of silica fume for high-performance lithium-ion batteries
Yüksek performanslı lityum-iyon bataryalar için silisyum-grafen kompozit anot malzemesinin silika dumanının magneziotermik yolla indirgenmesi ile sentezlenmesi
NİHAT FATİH KAYACIOĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. REHA YAVUZ