Zift tabanlı karbon elektrotların sodyum-iyon pillerde kullanım potansiyelinin incelenmesi

Abstract

Mevcut enerji tüketim sistemi büyük ölçüde fosil yakıtlara bağımlıdır. Fosil yakıtların gelecekte tükenmesi kirletici emisyonlar üretmeleri sebebiyle dezavantajlıdır. Bu sebeple, enerji talebini karşılayabilecek yenilenebilir enerji kaynaklarına doğru kademeli bir değişim zorunlu kılınmaktadır. Sabit enerji depolama sistemlerinin kullanılması esnekliğin artırılmasına, güç dalgalanmalarının en aza indirilmesine ve doğası gereği değişken olan yenilenebilir enerji üretiminin istikrarlı ve kontrollü bir şebekeye entegrasyonunu kolaylaştırmaya yardımcı olacaktır. Halihazırda, Li-ion teknolojisine dayanan, dünya çapında çeşitli yerlerde konumlandırılmış, MWh aralığında pilot sabit enerji depolama sistemleri bulunmaktadır. Bununla birlikte, yenilenebilir enerji kaynaklarının büyük ölçekli depolanmasını sürdürebilecek daha ucuz ve daha güvenli, yüksek enerji yoğunluklu elektrokimyasal cihazlara duyulan ihtiyaç, araştırmanın odağını lityum-iyon bazlı sistemlerden sodyum-iyon bazlı sistemlere kaydırmaktadır. Özellikle, Türkiye'nin enerji ithalatına yüksek ölçüde bağımlı olması sebebiyle yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımını arttırmak için enerji depolama teknolojilerine ihtiyaç duyulmaktadır. Ancak, lityum-iyon pil teknolojisinde ham madde tedariği konusunda da coğrafi kısıtlamalardan ötürü ülkemiz tamamen dışa bağımlı durumdadır. Sodyum-iyon piller, enerji yoğunluğu açısından lityum-iyon pillere kıyasla daha düşük performans sergilese de büyük ölçekli enerji depolama ve şebeke uygulamaları için hem uygun hem de stratejiktir. Türkiye'nin bolca sahip olduğu sodyum kaynaklarını değerlendirmesi dışa olan bağımlılığını azaltacağı gibi aynı zamanda savunma sanayinin ihtiyaç duyması durumunda kullanılabilir bir enerji depolama sistemi sunacaktır. Aynı zamanda, nispeten yeni olan bu alanda dünya pazarında rekabet edebilir bir konuma gelebilir. Bu teknolojinin ana dezavantajı, Na+ iyonunun grafite girememesi ve sert karbonun yavaş difüzyondan etkilenmesidir. Grafite alternatif olarak çok farklı anot malzemeler geliştirilmesine devam edilmektedir. Bunlar içerisinde ticari faaliyet yürüten dünyaca ünlü firmaların sodyum-iyon pil için anot malzemesi seçimi karbondur. Sodyum-iyon pillerin enerji yoğunluğunu arttırmak için yeni ucuz karbon anot malzemelerinin bulunmasına ihtiyaç duyulmaktadır. Bu tez çalışmasında, sodyum-iyon piller için anot malzemesi olarak karbondan yararlanılmış; büyük ölçekli enerji depolama için daha ucuz, daha güvenli ve yüksek enerji yoğunluğuna sahip çözümler geliştirmek amacıyla petrol atığı olan ziftten karbon anot malzeme üretilmiştir. Sodyum depolama mekanizmasını incelemek için piroliz sıcaklığını değiştirerek elde edilen yumuşak karbonun ara katman aralığı düzenlenmiştir. Ayrıca, yumuşak karbon kaynağı olan zift ve sert karbon kaynağı olan zeytin çekirdeğinin birlikte anot malzeme olarak kullanılmasıyla sinerjik etki potansiyeli incelenmiş ve yarım hücre pil performansları test edilmiştir. Elde edilen karbon malzemenin kendine özgü yapısı nedeniyle iyi bir kapasite ve iyi bir hız performansı sergilemiştir.The current energy consumption system relies heavily on fossil fuels, which are disadvantageous due to their finite nature and polluting emissions. This necessitates a gradual shift towards renewable energy sources that can meet future energy demands. The integration of stationary energy storage systems can enhance flexibility, minimize power fluctuations, and facilitate the stable and controlled incorporation of inherently variable renewable energy generation into the grid. Currently, pilot-scale stationary energy storage systems based on Li-ion technology, with capacities in the MWh range, are deployed globally. However, the need for more affordable, safer, and high-energy density electrochemical devices capable of sustaining large-scale renewable energy storage has shifted research focus from lithium-ion-based systems to sodium-ion based systems. Particularly for Turkey, which is heavily dependent on energy imports, energy storage technologies are essential for increasing the utilization of renewable energy sources. However, due to geographic constraints, Turkey is entirely dependent on imports for raw materials required in lithium-ion battery technology. Although sodium-ion batteries exhibit lower energy density compared to lithium-ion batteries, they are both suitable and strategic for large-scale energy storage and grid applications. Utilizing Turkey's abundant sodium resources can reduce its dependence on imports and provide an energy storage system that can be employed in defense industries when needed. Moreover, this emerging technology can position Turkey competitively in the global market. The primary disadvantage of sodium-ion batteries is the inability of Na+ ions to intercalate into graphite, and the slow diffusion of hard carbon. Various alternative anode materials continue to be developed. Among them, carbon is the preferred anode material for sodium-ion batteries by globally recognized companies. To increase the energy density of sodium-ion batteries, new, cost-effective carbon anode materials are required. This thesis focuses on producing carbon anode material for sodium-ion batteries from pitch, a petroleum waste product, aiming to develop cheaper, safer, and higher-energy-density solutions for large-scale energy storage. The interlayer spacing of soft carbon was tuned by altering the pyrolysis temperature to examine the sodium storage mechanism. Additionally, the synergistic effect of combining pitch as a source of soft carbon with olive pits as a source of hard carbon was investigated as an anode material. The half-cell battery performances of the materials were tested for practical applications, demonstrating good capacity and rate performance due to the unique structure of the obtained carbon material.