Metal sülfür bileşiklerinin sodyum iyon bataryalarda elektrot malzemesi olarak kullanılması

Abstract

Sodyum iyon piller, lityum iyon pillerin alternatifi ve tamamlayıcısı olarak görülmektedir. Sodyum iyon piller, sodyum kaynaklarının yerkürede daha eşit dağılması ve daha çok bulunması nedeniyle maliyet açısından avantaj sağlamasının yanı sıra, lityum iyon pillerle benzer performans karakteristiklerine sahip olması bakımından özellikle yenilebilir enerji kaynaklarından elde edilen enerjinin depolanması konusunda öne çıkmaktadır. Ancak sodyum iyon pillerin ticarileşmesini sınırlandıran bazı engeller bulunmaktadır. En başta gelen sorun ise, sodyum metalinin lityum metaline göre daha büyük iyon yarıçapına sahip olmasına bağlı olarak elektrot malzemesinde meydana gelen hacim genleşmesidir. Ayrıca, ticari lityum iyon pillerinin büyük çoğunluğunda kullanılan grafit anot, tabakalar arası boşluklarına sodyum iyonları yerleşemediği için bu pillerde beklenen performansı sergileyememektedir. Bu doğrultuda, yürütülen tez çalışmasında metal sülfür anot malzemelerinin geliştirilmesi ve sodyum iyon pillerdeki performansının araştırması yapılmıştır. Anot malzemesi sentezlenirken çevre dostu, tek basamaklı ve hızlı yöntemlerin uygulanması esas alınmıştır. Bu nedenle ilk olarak, bilyalı değirmende SnS fazının elde edilmesi ve karbon ilavesi ile performans değişimi incelenmiştir. Daha sonra aynı faz mikrodalga reaktörde sentezlenmiş ve sodyum depolama kabiliyeti araştırılarak iki sentez yöntemi karşılaştırılmıştır. Mikrodalga reaktörde sentezi yapılan bir diğer metal sülfür ise ZnS fazı olmuştur. Bu bölümde farklı komplekştirici ajanların morfolojiye ve elde edilen malzeme miktarının değişimine etkisi ile birlikte sodyum iyon pil performansı incelenmiştir. En son bölümde ise metal organik kafes yapısından elde edilen NiS/C fazının sodyum depolama potansiyeli incelenmiştir. Bu malzemelerin elde edilmeleri için sentez çalışmalarının yanı sıra, farklı bağlayıcı türlerinin birbiri ile kıyaslaması yapılmıştır. Bu bağlayıcı türlerinin farklı performans göstermelerinin sebepleri ise detaylı olarak incelenmeye çalışılmıştır. Son olarak mikrodalga reaktörde sentezi yapılan SnS/C kompozit anot malzemesi seçilmiş ve NVPF katot kullanılarak tam bir soyum iyon hücresi elde edilmiştir. Bu hücrenin çevrim performansı da incelenerek elde edilen sonuçlar irdelenmiştir.Sodium ion batteries generally acccepted as alternative or complementary technology of lithium ion batteries. Sodium ion battteries have some advantages due to the the abundance and equal distribution on the earth of sodium resources. Additionally, sodium ion batteries come into prominence in the field of renewable energy storage systems because of their similar performance characteristic with the lithium ion batteries. However, sodium ion batteries have some obstacles in front of the commercialization. In the first row of the problems is the bigger ionic radius of sodium and therefore directly connected volume expansion. In addition, despite the prevalent use of the graphite anode in commercial lithium ion battery systems, it is not suitable for the sodium ion batteries due to the bigger ionic radius of the sodium ion for the graphite interlayers. Hence, the conducted thesis study, covers the alternative metal sulfide anode development and investigation of their electrochemical performances. During the preparation of the anode materials, the one step, environmentally friendly and less time consuming synthesis procedures were selected. To do so, the first anode performance was investigated by the mechanochemically synthesized SnS phase with and without carbon addition. In addition, the same SnS phase was obtained via microwave assisted polyol route procedure and explored sodium storage capability. ZnS phase was synthesized by the same method as of SnS as an alternative anode material. In that chapter of thesis, different complexing agents were tested to understand the effect on changing morphology and yield of ZnS. In the last chapter, NiS/C phase was derived from gallic acid based nikel containing metal organic framework and examined its sodium storage potential. Besides the different synthesis method of the anode samples, type of binders were compared with each other and were investigated with the details. Finally, SnS/C composite was assembled with the NVPF cathode to demonstrate the rationalization of the full sodium-ion cell.