Productıon of graphene based new generatıon anode materıals for sodıum ıon batterıes and ınvestıgatıon of theır performances
Sodyum iyon piller için grafen esaslı yeni nesil anot malzemelerinin üretimi ve performanslarının incelenmesi
- Tez No: 983595
- Danışmanlar: PROF. DR. METİN GENÇTEN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Enerji, Metallurgical Engineering, Energy
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Yıldız Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Malzeme Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Sodyum iyon pilleri (SIBs), sodyumun küresel bolluğu ve uygun maliyeti nedeniyle son yıllarda önemli ölçüde ilgi görmüştür. Bu da onları lityum bazlı pillere umut verici bir alternatif haline getirmiştir. Bu tez, klor (ClGO), kükürt (SGO), nitrojen (NGO) ve nitrojen ile kükürt karışımı (N–S–GO) ile katkılanmış grafen oksit tozlarının sentezi için basit, tek adımlı, uygun maliyetli, büyük ölçekli uygulamaya uygun ve çevre dostu bir kronoamperometrik yöntem sunmaktadır. Dopingli tozların yapısını ve morfolojisini kapsamlı bir şekilde analiz etmek için XRD, Raman spektroskopisi, XPS, FT-IR, BET, SEM ve TEM kullanılmıştır. Yapılar, yaklaşık 2-3 katmandan oluşan, 46-50 nm boyutlarında ve 18-19 sp² karbon halkasına sahip nanokristal alanlara sahip, birkaç katmanlı grafen oksitten oluşuyordu. Doping, ClGO için (6.7˚A), SGO için (3.38˚A), NGO için (6.8˚A) ve N-S-GO için (6.58˚A) kadar katmanlar arası mesafenin artmasına yol açarak Na⁺ iyonlarının hareketliliğini ve tutulmasını artırdı. XPS incelemesi, heteroatomların başarılı kovalent bağlanmasını doğrulayarak, C–Cl, Cl-Ox (x = 2, 3, 4), C–SOₓ–C (x = 2, 3) ve C–N bağlarının oluşumunu sağladı. Aynı zamanda, yüzey reaktivitesini ve kusur yoğunluğunu artıran oksijenli gruplar da dahil edildi. Raman ölçümleri, artmış bozukluk oranlarını (ID/IG) ortaya çıkardı, bu da sodyum depolaması için uygun daha fazla kusur bölgesine işaret ediyor. Elektrokimyasal deneyler, katkılı tüm GO anotlarının sodyum depolamada önemli ölçüde etkinlik gösterdiğini ortaya koydu. Tek DGO için iki farklı elektrolit sistemi kullanıldı. ClGO, SGO ve NGO'nun başlangıç özgül deşarj kapasiteleri, 0.1 C akım hızında, Na+ difüzyon katsayısı (DEIS) sırasıyla yaklaşık 6.8x10⁻¹³ cm² s⁻¹, 4.01x10⁻¹² cm² s⁻¹ ve 4.86x10⁻¹² cm² s⁻¹ olarak hesaplanan karbonat bazlı elektrolitte 1 M NaPF6 kullanıldığında sırasıyla 389.7, 256.7 ve 200 mAh g⁻¹'dir. Eter bazlı elektrolit kullanan ClGO, SGO ve NGO anotlarının 415, 733 ve 952 mAh g⁻¹ ve (DEIS) değerleri sırasıyla yaklaşık 7,49x10⁻¹⁰, 1,67x10⁻⁹ ve 6,03x10⁻¹⁰ cm² s⁻¹ olarak hesaplanan değerlerle karşılaştırıldığında. N-S-GO, yalnızca eter bazlı elektrolit kullanılarak anot olarak test edildiğinde, başlangıçta 457 mAh g-1 özgül deşarj kapasitesi gösterirken, (DEIS) döngü öncesinde yaklaşık 4.4 x 10⁻¹¹ cm² s⁻¹ ve döngü sonrasında 3.2 x 10⁻¹⁰ cm² s⁻¹ olarak hesaplandı, bu da etkili iyon taşımacılığını göstermektedir. Sentezlenen anot, eter bazlı bir elektrolit kullanıldığında 2C, 5C ve 10C gibi yüksek hızlarda üstün performans göstererek (SIBs) için yüksek hızlı bir anot malzemesi olarak uygunluğunu kanıtlamaktadır. Uzun süreli döngü değerlendirmeleri, 2C hızında 100 döngüden sonra yaklaşık %100 kapasite korumasıyla dikkate değer bir kararlılık gösterdi. Geliştirilmiş elektrokimyasal performans, heteroatom dopinginin sinerjik etkilerinden, artırılmış katmanlar arası mesafeden ve kusur kaynaklı psödokapasitans'tan kaynaklanmaktadır. Bu etkiler birlikte iletkenliği ve Na+ iyonlarının difüzyon hızını artırmaktadır. Bu çalışma, kronoamperometrik yöntemle sentezlenen heteroatom katkılı grafen oksitlerin, yüksek performanslı, sürdürülebilir sodyum iyon bataryası anotları için uygulanabilir ve uyarlanabilir bir temel sunduğunu göstermektedir.
Özet (Çeviri)
Sodium-ion batteries (SIBs) have gained significant attention in recent years due to the global abundance and cost-effectiveness of sodium, making them a promising alternative to lithium-based batteries. This thesis introduces a straightforward, one-step, cost-effective, appropriate for large-scale application and eco-friendly chronoamperometric method for the synthesis of graphene oxide powders doped with chlorine (ClGO), sulfur (SGO), nitrogen (NGO), and a mixture of nitrogen and sulfur (N–S–GO). XRD, Raman spectroscopy, XPS, FT-IR, BET, SEM, and TEM, were utilized to thoroughly analyze the structure and morphology of the doped powders. The structures comprised few-layered graphene oxide, consisting of around 2–3 layers, with nanocrystalline domains measuring 46–50 nm and having 18–19 sp² carbon rings. Doping led to an increase in interlayer spacing up to (6.7˚A) for ClGO, (3.38˚A) for SGO, (6.8˚A) NGO, and (6.58Å) for N-S-GO, enhancing the mobility and retention of Na⁺ ions. XPS examination verified the successful covalent attachment of heteroatoms, resulting in the creation of C–Cl, Cl-Ox (x = 2, 3, 4), C–SOₓ–C (x = 2, 3), C–N, and C–S–C bonds, while also incorporating oxygenated groups that augment surface reactivity and defect density. Raman measurements revealed heightened disorder ratios (ID/IG), indicating a greater number of defect sites favorable for sodium storage. Electrochemical experiments revealed that all doped GO anodes displayed significant effectiveness in sodium storage. Two different electrolyte systems were utilized for the single DGO. The initial specific discharge capacity of ClGO, SGO, and NGO are 389.7, 256.7, and 200 mAh g-1 at a current rate of 0.1 C using 1 M of NaPF6 in carbonate-based electrolyte with Na+ diffusion coefficient (DEIS) calculated to be about 6.8x10⁻¹3, 4.01x10⁻¹2, and 4.86x10⁻¹2 cm2 s−1, respectively. Compared to 415, 733, and 952 mAh g-1 and (DEIS) calculated to be about 7.49x10⁻¹⁰, 1.67x10⁻⁹, and 6.03x10⁻¹⁰ cm² s⁻¹ of the ClGO, SGO, and NGO anodes using ether-based electrolyte. Whereas N-S-GO tested as anode using only ether-based electrolyte where shows an initial specific discharge capacity of 457mAh g-1 and (DEIS) was calculated to be approximately 4.4 x 10⁻¹¹ cm² s⁻¹ before cycling and 3.2 x 10⁻¹⁰ cm² s⁻¹ after cycling indicating effective ion transport. The synthesized anode has outstanding performance at high rates of 2C, 5C, and 10C when an ether-based electrolyte is employed, indicating its suitability as a high-rate anode material for (SIBs). Prolonged cycling evaluations exhibited remarkable stability, with approximately 100% capacity retention after 100 cycles at a rate of 2C. The enhanced electrochemical performance arises from the synergistic effects of heteroatom doping, augmented interlayer spacing, and defect-induced pseudocapacitance, which jointly boost conductivity and the diffusion rate of Na+. This study illustrates that heteroatom-doped graphene oxides synthesized by the chronoamperometric approach offer a feasible and adaptable foundation for high-performance, sustainable sodium-ion battery anodes.
Benzer Tezler
- Serigrafik baskı ile LFP lityum-iyon batarya hücreleri: elektrot mürekkep formülasyonu ve performans incelemesi
Serigrafik baskı ile LFP lityum-iyon batarya hücreleri: Elektrot mürekkep formülasyonu ve performans incelemesi
SAMET USTA
Doktora
Türkçe
2026
EnerjiSakarya ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TUĞRUL ÇETİNKAYA
- Heteroatom katkılı grafen temelli anot içeren yeni nesil sodyum iyon pillerin üretilmesi ve performanslarının incelenmesi
Production and performances examination of new generation sodium ion batteries containing heteroatom doped graphene based anode
ALİ İHSAN KÖMÜR
- Yeni nesil karbon esaslı nanomalzemelerin üretimi, karakterizasyonu ve endüstriyel uygulaması
Manufacturing, characterization and industrial application of new generation carbon-based nanomaterials
VİLDAN ERDURAN
Doktora
Türkçe
2025
Metalurji MühendisliğiKütahya Dumlupınar ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSKENDER IŞIK
PROF. DR. FATİH ŞEN
- Development of metal & metal oxides decorated graphene-based electrode materials for next generation Li-ion and Li-O2 batteries
Yeni nesil Li-iyon ve Li-O2 pilleri için metal ve metal oksit dekore edilmiş grafen esaslı elektrot malzemelerinin geliştirilmesi
ADNAN TAŞDEMİR
Doktora
İngilizce
2020
Mühendislik BilimleriSabancı ÜniversitesiPROF. DR. SELMİYE ALKAN GÜRSEL
DR. ÖĞR. ÜYESİ ALP YÜRÜM
- Lityum iyon piller için yazdırılabilir teknolojilere uygun yeni nesil anotların geliştirilmesi
Development of new generation anodes for lithium ion batteries suitable for printable technologies
AHMET TALHA SEVİNÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Metalurji MühendisliğiSakarya ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MAHMUD TOKUR