Oda sıcaklığında çalışan sodyum-sülfür (Na-S) bataryalar için Na2S katot elektrodunun geliştirilmesi

Abstract

Batarya sistemleri, sahip oldukları enerji yoğunlukları ve geniş kullanım alanları sayesinde enerji depolama sistemleri içerisinden öne çıkan sistemlerden olmuşlardır. Batarya sistemleri içerisinde sodyum-kükürt bataryalar hem düşük maliyetleri, hem de nispeten yüksek enerji yoğunlukları nedeniyle kullanımı ticari olarak tercih edilen sistemler arasında bulunmaktadır. Ancak, bu batarya tipinin yüksek sıcaklıklarda çalışması nedeniyle, kullanımı güvenlik problemine yol açmaktadır.Bu nedenle ilgili sistemin oda sıcaklığında çalıştırılması güvenlik açığının önüne geçilmesini sağlayacaktadır. İlgili tez çalışmasında, oda sıcaklığında çalışan sodyum-kükürt (Na-S) bataryalar için geleneksel karbon/sülfür katota alternatif olarak kullanılabilecek olan sodyum sülfit (Na2S) malzemesi laboratuvar ortamında sentezlenmiştir. Na2S kullanımı ile kükürtün deşarjı sonunda gerçekleşen faz dönüşümünden kaynaklanan yüksek hacim genleşmesinin önüne geçilmesi amaçlanmıştır. Elektronik olarak yalıtkan bir malzeme olan Na2S'in iletkenliğinin arttırılması adına karbon ile kompoziti oluşturulmuştur. Na2S ve karbon kompozitleri bilyalı değirmen ve havanda muamele edilerek oluşturulmuş, bunun sonucunda en iyi sonucu veren kompozit belirlenmiştir. Seçilen kompozisyon için uygun çalışma katot voltajı belirlenmiştir. Bunun yanı sıra, farklı elektrolitler kullanılarak en iyi performansı veren elektrolit kompozisyonu seçilmiştir. Mekik etkisinin azaltılması ve performansın arttırılması adına ara tabaka kullanılmıştır. Sonuç olarak ilgili çalışmada, sentezlenen Na2S için en iyi sonucu verecek olan kompozisyon, elektrolit ve çalışma voltaj aralığı belirlenmiş ve bu katot malzemesinin oda sıcaklığında çalışan Na-S bataryalarda kullanılabilirliği test edilmiştir.

Battery systems have become one of the prominent systems in energy storage systems due to their energy density and wide usage areas. Among the battery systems, sodium-sulfur batteries are among the commercially preferred systems for use because of their low cost and relatively high energy density. However, as this type of battery operates at high temperatures, its use poses a safety problem. Therefore, operating the system at room temperature will prevent the security gap. In this thesis, sodium sulphite (Na2S) material which can be used as an alternative to traditional carbon/sulfur cathode for sodium-sulfur (Na-S) batteries working at room temperature was synthesized in laboratory. With the use of Na2S, it is aimed to prevent high volume expansion caused by phase transformation after the discharge of sulfur. In order to increase the conductivity of Na2S, which is an electronically insulating material, a composite of carbon was formed. Na2S and carbon composites were formed by ball mill and mortar treatment and the resultant composite was determined. The appropriate working cathode voltage for the selected composition was determined. In addition, the best electrolyte composition was selected using different electrolytes. Finally, an interlayer was used to reduce Shuttle effect and improve performance. The composition, electrolyte and working voltage range that will give the best results for the synthesized Na2S were determined and the usability of this cathode material in Na-S batteries operating at room temperature was tested.