Çevreye Duyarlı Sulu Elektrolit Bataryaların Geliştirilmesi: Hidrotermal Karbon ve Na-temelli Elektrot Malzemelerin Kullanılması

Abstract

Uzun çevrim ömrü, düşük maliyet, çevreci olma ve yüksek güvenlik enerji depolama sistemleri (EDS) için öncelikli parametrelerdir. Bu nedenle yeryüzünde bol bulunan, toksik olmayan ve kararlı yapıya sahip sistemlere ihtiyaç vardır. Proje, Na-iyon batarya (NIB) çalışmaların geliştirilmesini konu almaktadır ve lityum-iyon batarya (LIB) ile karşılaştırıldığında çok yeni sistemlerdir. LIB yüksek enerji yoğunluğu ve uzun çevrim ömrüne sahip olmasına rağmen, büyük ölçekli uygulamalar için bazı zorlukları da beraberinde getirmektedir. Toksik ve yanıcı organik elektrolit kullanımına bağlı güvenlik problemleri ve yeryüzünde lityum kaynaklarının giderek azalması LIB?in akıllı şebeke gibi büyük ölçekli enerji depolama sistemlerinde kullanımını sınırlamaktadır. Bu kapsamda, projenin katot elektrot kısmını sodyum temelli malzemeler, anot elektrot kısmını hidrothermal karbonizasyon (Hydrothermal Carbonization - HTC) ile elde edilen karbon malzemeleri oluşturmuştur. Hibrit iyon batarya sistemlerinin taşınmaz (stationary) uygulamalar için geliştirilmiş ve kullanılacak tüm sistem isterleri (anot, katot ve elektrolit) bu amaç doğrultusunda seçilmiştir. Katot malzemesi olarak proje kapsamında önerilen NaFePO4, Mn-bazlı (NaMnO2) ve Na3V2(PO4)3 olmak üzere üç farklı bileşen sentezlenmiştir. Ayrıca, proje önerisinde yer almayan Lamda-MnO2 ve NVPF de bu proje kapsamında çalışılmıştır. Anot elektrot çalışmalarında ise oksijen grup içeren, azot ilaveli ve yüksek gözenek yapısına sahip karbon yapılı malzemeler çalışılmıştır. Yarım hücre testleri ve optimizasyonları tamamlanan anot/katot/elektrolit malzemelerinin elektrokimyasal testleri oldukça iyi bir elektrokimyasal performans, çevrim sayısı ve kapasiteye sahip olduğu görülmüştür. Tam hücre çalışmalarında en iyi performansı veren NaFePO4 katot ile gözenekli karbon anot elektrotlardan hücreler yapılmış ve ilk çevrimde 84 Wh/kg enerji yoğunluğu elde edilmiştir.