Synthesis and characterization of binary solid-state electrolytes for energy storage devices

Abstract

Süperkapasitörler (SC), enerji arz ve talebinin sağlanmasında en az enerji üretimi kadar önemli olan enerji depolama sistemleri arasında yüksek güç yoğunlukları ve uzun çevrim ömürleri ile öne çıkmaktadır. SC'lerin performansına elektrot ve elektrolitlerinin kimyasal özelliklerinin yanı sıra konfigürasyon, gözenek yapısı, morfoloji, iç direnç ve iletkenlik gibi fiziksel özellikler de etki eder. SC'ler, elektrot-elektrolit ara yüzünde yüklerin elektrostatik birikimi yoluyla elektrik yükünü depolamak için geniş bir yüzey alanına sahip gözenekli elektrot ile iyonlarla katkılandırılmış yüksek iyonik iletkenliğe sahip elektrolit çözeltiden oluşur. Katı elektrolitler, uzun çevrim ömrü, hafifliği, iyi mekanik özellikleri, yüksek enerji depolama kapasitesi, esnekliği, düşük sızdırma (leakage) ve viskozite özellikleri gibi avantajlara sahiptir. Tez çalışmasının amacı, polimer yapıdaki ikili katı hal jel bazlı elektrolitleri farklı konfigürasyonlarda sentezleyerek enerji depolama cihazlarında kullanımlarına yönelik karakterize etmektir. Bu kapsamında; polimer matris olarak PVA, P4, TAAB ve KOH sulu çözeltileri ile ikili katı hal jel elektrolitler sentezlenmiştir. İyonik yük transferi ve yük depolama performansına iyon konsantrasyonunun, ikili elektrolit konfigürasyonlarının ve elektrolitler arası iletken tabaka kullanımının etkileri incelenmiştir. Kütlece ağır (massive) konak (host) molekülleri P4?4 ve TAAB+ ile karşı (counter) iyonları Na+ ve Br- arası iyonik yük transfer ilişkisi, K+ ve OH- iyonları ile katkılandırılarak hazırlanmış ikili elektrolitler arası iletken tabakanın etkisi ile oluşan ilave şarj etkisi incelenmiştir. İlk deneyde; binary elektrolit kullanımının, SC'lerin performansını tekli elektrolitlere göre arttırdığı gözlenmiştir. Karşıt iyonlarına göre hareket kabiliyeti düşük olan yüksek kütleli konak molekülleri, sistemin güç yoğunluğunu artırırken depolanan yük miktarını azaltmıştır. İkinci deneyde; ikili elektrolit içindeki iletken tabaka, artan kapasitansa yol açarak ek yük depolama bölgesi oluşturmuştur.

Supercapacitors (SCs) stand out among energy storage systems with long cycle life through ensuring the energy supply and demand with high-power. SCs are an alternative for fuel cells and batteries with a large surface area of highly porous electrode with the electrostatic charge accumulation. Electrolytes with liquid or solid-state types are a key factor to store the electrical charge. Solid electrolytes have high electrochemical performance with long life cycling times, light weight, good mechanical properties, flexibility and higher energy-storage capacity. The aim of this thesis is to design binary solid gel-based electrolytes with different aqueous ion concentrations and compositions to increase the performance. Within the scope of the thesis; PVA based binary structural solid gel electrolytes were synthesized, and P4 (1,3,6,8-Pyrenetetrasulfonic acid tetrasodium salt hydrate), TAAB (Tetra allil ammonium bromide) and KOH were used as ionic groups. The relationship between the massive host molecules P4?4and TAAB+1 and their counter ions Na+, Br- due to the mobility and the effect of conductive layer between binary electrolytes with doping agents including K+ and OH- ions occurring additional charging were determined. In the first experiment; it was observed that, using binary electrolyte increases the performance of the SCs comparing to single electrolytes. Highly massive host molecules, which have low mobility comparing to their counter ions, decrease the amount of the charge stored while increasing the power density. In the second experiment; the conductive layer in binary electrolyte provides additional charge storing regions leading to an increased capacitance.