Heteroatom katkılı vanadyum dioksit malzemeler ile sulu çinko iyon batarya katotlarının geliştirilmesi
Development of aqueous zinc ion battery cathode with heteroatom doped vanadium oxide materials
Yazar: SELAY AYDIN ŞAHİN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ RECEP YÜKSEL
Eskişehir Osmangazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrokimya ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Sulu şarj edilebilir bataryalar arasında çinko iyon bataryalar (ZIB'lar), yüksek teorik özgül kapasiteleri, düşük redoks potansiyelleri, çinko metal bolluğu, güvenlikleri ve düşük maliyetleri nedeniyle büyük ilgi görmektedir. Düşük maliyet ve yüksek güvenlik nedeniyle sulu ZIB'lar, şebeke ölçeğinde enerji depolama gibi büyük ölçekli uygulamalar için son derece çekici platformlardır. Bilinen en eski batarya türlerinden biri olmasına rağmen, şar edilebilir ZIB'lar henüz beklendiği gibi kullanım bulamamıştır. Sulu ZIB'lar, yüksek kapasite, kulombik verimlilik ve uzun süreli çevrim ömrü elde etmek için uygun katot malzemeleri bulmakta güçlük çekmektedirler. Çeşitli katot malzemeleri kullanarak kayda değer spesifik kapasiteler elde edilmiş olsa da, katot malzemelerinin stabilitesinden kaynaklanan zorluklar pratik uygulamaları büyük ölçüde engellemiştir. Bu nedenle, ZIB'ların düşük çevrim stabilitesini ve elektrokimyasal performansını çözmek için yüksek performanslı katot malzemelerine acil bir ihtiyaç vardır.
Vanadyum dioksit (VO2), yüksek teorik kapasitesi ve yapısal özellikleri nedeniyle son yıllarda büyük ilgi görmektedir. VO2'nin katmanlı yapısı, kristal birim hücrede iyon katkısına izin verir. VO2'nin metal iyon katkısı, yüksek kapasitesini ve çevrim ömrünü elde etme potansiyeline sahiptir. Bu çalışmada, metal iyon katkılı VO2 katotları tasarladık ve bunları yüksek performanslı sulu ZIB cihazlarında kullandık. Seçilen Grup 1A metali (lityum,sodyum ve potasyum) ve geçiş metali (niobyum, molibden ve tungsten) iyonları çeşitli miktarlarda VO2 ile katkılanmıştır. Üretilen ZIB'lar, heteroatom katkılı VO2 katotları nedeniyle gelişmiş elektrokimyasal enerji depolama özelliklerine sahiptir. Metal-iyon katkılı vanadyum dioksit temelli malzemelerin hidrotermal yöntemle üretilmesi ve sulu ZIB'larda kullanılmasıyla bu tezin ana konusu olan dikkat çekici elektrokimyasal özellikler elde edildi. Bu bağlamda, metal iyon katkılı VO2 katotlu sulu Zn-iyon bataryalar, yüksek elektrokimyasal performans ve çevrim kararlılığı elde edecek şekilde üretildi ve karakterize edildi.

Abstract:
Among aqueous rechargeable batteries, zinc-ion batteries (ZIBs) have attracted colossal interest due to their high theoretical specific capacity, low redox potential, abundance of zinc metal, safety, and low cost. Due to the low cost and high safety, aqueous ZIBs are highly compelling platforms for large-scale applications like grid-scale energy storage. Despite being one of the oldest known battery types, rechargeable ZIBs still have not found use as expected. Aqueous ZIBs have difficulty finding suitable cathode materials to achieve high capacity, coulombic efficiency, and long-lasting cycle life. Although remarkable specific capacities have been obtained by using various cathode materials, the challenges arising from stability of cathode materials, have greatly hindered their practical applications. Thus, there is an urgent need for high-performance cathode materials to solve the low cycling stability and electrochemical performance of ZIBs. 
Vanadium dioxide (VO2) has attracted significant attention in recent years because of its high theoretical capacity and the structural properties. The layered structure of VO2 allows the ion-doping in the crystal unit cell. The metal-ion doping of VO2 has the potential to achieve its high capacity and cycle life.  In this work, we designed metal-ion-doped VO2 cathodes and utilized them in high-performance aqueous ZIB devices. The selected Group 1A metal (lithium, sodium, and potassium) and transitional metal (niobium, molybdenum, and tungsten) ions were doped in VO2 in various amounts. The fabricated ZIBs had improved electrochemical energy storage properties due to the heteroatom doped VO2 cathodes. The metal-ion-doped vanadium dioxide-based materials were produced via hydrothermal method and used in aqueous ZIBs to obtain remarkable electrochemical properties, which was the main theme of this thesis. In this regard, aqueous Zn-ion batteries with metal-ion doped VO2 cathodes were fabricated and characterized to achieve high electrochemical performance and cycling stability.