Şarj edilebilir lityum-sülfür (Li-S) ve sodyum-sülfür (Na-S) bataryaların elektrokimyasal performansının geliştirilmesi

Abstract

Lityum-Kükürt (Li-S) bataryalar, vaat ettikleri yüksek teorik kapasite (1672 mAh/g) ve enerji yoğunluğu (2600 Wh/kg) nedeniyle lityum-iyon bataryalara alternatif olabilecek sistemlerden biridir. Maliyet de göz önüne alındığında, doğada çok fazla bulunan kükürtün kullanılması sayesinde batarya maliyetinin düşebileceği öngörüldüğünden, Li-S bataryalar son yıllarda bilim adamları tarafından üzerinde oldukça çalışılan bir konu olmuştur. Ancak, bu sistemde görülen birtakım yapısal problemlerden kaynaklı olarak oluşan hızlı kapasite kaybı, Li-S bataryaların ticarileşmesini engellemiştir. Bu problemlerin temelinde deşarj sırasında oluşan ara ürün polisülfitlerin aprotik çözücüler içerisinde çözünmesi ve çözünen polisülfitlerin lityum ile doğrudan reaksiyonu sonucu olarak gerçekleşen Mekik Etkisi (Shuttle Effect) yatmaktadır. Diğer yandan, lityum rezervlerinin kısıtlı olmasının bir sonucu olarak alternatif sistem olacağı öngörülen Sodyum-Kükürt (Na-S) bataryalar da aynı problemleri bünyesinde barındırmaktadır. Bu tez çalışmasında, Li-S ve Na-S bataryaların karşı karşıya kaldığı problemler anlaşılmaya çalışılarak, ara tabaka kullanımı yolu ile anotun korunması sayesinde en temel problem olduğu düşünülen Mekik Etkisi'nin azaltılması amaçlanmıştır. Ara tabakalar anot ile katot arasına yerleştirilmiş ve bu sayede hücrenin çalışması sırasında oluşan polisülfitlerin ara tabaka tarafından tutunarak anot tarafına geçişinin önlenmesi amaçlanmıştır. Yaklaşımlar Li-S ve oda sıcaklığında çalışan Na-S bataryalar üzerinde test edilmiştir. Çalışmalar sonucunda belirgin bir performans artışı gözlemlenmiştir. Performans artışının nedenleri X-Işını Fotoelektron Spektroskopisi (XPS) analizi ile irdelenerek desteklenmiştir.Lithium-Sulfur (Li-S) batteries are one of the most convenient systems that can be used as an alternative to lithium-ion batteries with their high theoretical capacity (1672 mAh/g) and energy density (2600 Wh/kg). Considering the cost, sulfur based batteries become very important and attract attention of the scientists owing to the use of natural abundant sulfur. However, sulfur based batteries are not commercially available, because of the capacity fading which frequently occurs due to some internal issues linked with sulfur utilization as electrode. The basis of these problems lies in the fact of the formation of the intermediate polysulfides during discharge which dissolved in aprotic solvents at large extent and thus resulting in the Shuttle Effect. On the other hand, room-temperature Sodium-Sulfur (Na-S) batteries, which are expected to be an alternative system as a result of limited lithium reserves, have the same problems with Li-S batteries. In this thesis, it is aimed to understand the problems faced by Li-S and Na-S batteries and to reduce the Shuttle Effect, which is thought to be the main problem of these systems, by using interlayer. Interlayers were placed between anode and cathode and thus it is aimed to mitigate the polysulfide migration to the anode side. Approaches were tried both on Li-S and room temperature Na-S batteries and significant performance increases were obtained. The reasons of performance increase was supported with X-Ray Photoelectron Spectroscopy analysis and discussed.