Lityum Sülfür (Kükürt) Batarya Performansının Geliştirilmesi: Çözünmüş Polisülfit Bileşikleri ve Koruyucu Tabaka İçeren Lityum Metalinin Redoks Akışlı Bataryalarda Kullanılması

Abstract

Lityum iyon bataryalar (LIB) enerji depolama teknolojilerinin gelişiminde son 25 yılda önemli bir rol oynamasına rağmen bazı uygulamalarda enerji yoğunluğu açısından düşük kalmaktadır. Lityum-kükürt (Li-S) bataryalar mevcut Li-iyon teknolojisi ile karşılaştırıldığında enerji yoğunluğu beş kat daha fazladır. Li-S bataryalar yüksek teorik kapasiteye sahiptirler (1672 mAh/g), maliyetleri düşüktür (ton başına yaklaşık 150 $) ve çevre dostudur. Tüm bu özellikler mevcut Li-iyon teknolojisi ile sağlanamaz. Li-S bataryalarının en önemli problemleri uzun şarj-deşarj ömürlerinin olmamasıdır. Bu kısa yaşam döngüsüne neden olan problemlerin başında; i) kükürtün yalıtkan bir malzeme olması, ii) kükürtün indirgenmesi sonucu oluşan polisülfit bileşiklerinin elektrolit içerisinde çözünmesi sonucu aktif malzeme kaybına neden olması, iii) çok fazla reaktif olan metalik lityum anotun polisülfitler ile reaksiyona girmesi, iv) son kükürt indirgenme ürünü olan lityum sülfitin (Li 2 S) oluşması gelir. Li 2 S yalıtkan bir malzemedir ve kompozit kükürt elektrotların içerisinde kararsız elektrokimyasal temaslar oluşmasına neden olurlar. Yukarıda bahsedilen Li-S bataryaların problemlerini ortadan kaldırmak için projemizde aşağıdaki alt başlıklar çalışılmıştır.Yaygın olarak kullanılan karbon-kükürt kompozitlerinin yerine kimyasal olarak sentezlenmiş ve elektrolitlerin içerisinde çözünmüş polisülfitler (katolit) kullanılarak Li- S elektrokimyasal performans değerleri artırılmıştır. Gelişmiş karakterizasyon teknikleri ile (XRD, FT-IR, SEM, Raman, EIS, XPS) lityum yüzey kimyası incelenmiştir. Li anot yüzeyini korumak için ikili faz (karışmayan anolit ve katolit) elektrolitler geliştirilmiştir. Ayrıca, proje önerisinde bahsi geçmeyen ancak geçen 3 yıl içerisinde literatürde çalışılmaya başlanmış ara tabaka (interlayer) tasarımına da proje kapsamında yer verilerek 2 ayrı ara tabaka üretilerek Li anot yüzeyi koruma çalışmaları yapılmıştır. Lityum yüzeyi ara tabaka ile korunmuş redoks akışlı pil sistemi geliştirilmiştir. Bu kapsamda, durağan redoks akışlı hücre ile 1000 çevrim boyunca 400 mAh/g kapasitenin altına düşmeyen değerler elde edilmiştir, bu da sadece elektrokimyasal olarak aktif bileşenlerin ağırlığı göz önüne alındığında 840 Wh/kg (400 mAh/g x 2,1 V) enerji yoğunluğuna karşılık gelmektedir.