Metal selenür elektrot malzemelerinin sodyum iyon pillerde kullanım potansiyellerinin incelenmesi
Investigation of the usage potentials of metal selenite electrode materials in sodium ion batteries
Yazar: MERAL AYDIN
Danışman: PROF. DR. REZAN DEMİR ÇAKAN
Gebze Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Lityum-iyon piller (LIB), kablosuz ve taşınabilir cihazlarla hayatımızda köklü bir değişiklik yapmış olmasına rağmen yetersiz lityum rezervleri, toplumsal ve enerji sektörlerinin artan taleplerini tam olarak karşılayamayacaktır. Öte yandan, yeryüzünde en çok bulunan dördüncü element olan sodyum, benzer kimyasal özelliklere sahip oldukları için lityumun ikamesi olarak kabul edilebilir. Bu nedenle, özellikle büyük ölçekli şebekeler için, sodyum iyon piller (NIB), Li-iyon pillere potansiyeli en yüksek alternatiflerden biridir. Ancak NIB'lerin ticarileşmesindeki en büyük engellerden biri sodyumun büyük iyon çapı ve yavaş difüzyon yeteneğinin elektrot malzemesi olanaklarını kısıtlaması ve elektrot malzemelerinin Na depolamada yeterince etkili olmamasıdır.
Sunulan bu tez çalışmasında, tek aşamalı, ucuz, kolay ve çevre dostu yöntemler kullanılarak metal selenür malzemeleri sentezlenmiştir. Sentezlenen metal selenürlerin yapısal karakterizasyonlarının (faz analizi, parçacık boyutu, yüzey alanı vb.)  yapılıktan sonra sodyum iyon pillerde kullanım potansiyelleri incelenmiştir. Öncelikle yüksek enerjili bilyeli değirmen ile kalay selenür (SnSe) malzemesi sentezlenmiş ve önce elektrolit optimizasyonu yapılmış daha sonra bağlayıcı etkisi detaylı bir şekilde araştırılmıştır. Daha sonra solvotermal yöntem ile önce SnSe malzemesi sentezlenmiş ve sentez parametreleri belirlenmiştir. SnSe malzemesinin Na-iyon yarım hücre testlerinde yaşanan kapasite kayıplarını önlemek için sentez aşamasında farklı oranlarda tGR malzemesi ilave edilmiştir. %15 tGR ilavesi ile SnSe-tGR malzemesinden en yüksek kapasite yoğunluğu elde edilmiştir. Son olarak, Fransa-Nantes-Institut des Matériaux Jean Rouxel enstitüsünden temin edilen, gallik asitten oluşan esaslı metal organik çerçevelerin (MOF, metal: Co, Ni ve Fe) yüksek sıcaklık selenizasyonu yapılmıştır. Tek aşamada CoSe2/C, NiSe/C ve FeSe/C yüksek gözenekli kompozitleri elde edilmiştir. Elde edilen bu malzemelerin, Na-iyon yarım hücre pil testleri yapılmıştır. Ayrıca NiSe/C malzemesi ve NVPF katot malzemesi ile tam hücre testi yapılmıştır.

Abstract:
Lithium-ion batteries (LIB) have made radical change in our lives with wireless and portable devices. However, inadequate lithium reserves will not be able to afford the growing demands of the societal and energy sectors. On the other hand, sodium, one of the most abundant element on the earth, can be considered as an substitute for lithium as they have similar chemical properties. Therefore, especially for large-scale grids, sodium ion batteries (NIBs) are one of the most potential alternatives to Li-ion batteries. However, one of the major obstacles in the commercialization of NIBs is the large ion diameter and slow diffusion ability of sodium, limiting the possibilities of electrode materials and the inefficiency of electrode materials in storing Na.
In this thesis, metal selenide materials were synthesised using one-step, inexpensive, easy and environmentally friendly methods. After the structural characterisations (phase analysis, particle size, surface area, etc.) of the synthesised metal selenides, their potential use in sodium ion batteries was investigated. Firstly, tin selenide (SnSe) material was synthesised by high-energy ball mill and electrolyte optimisation was performed first and then the binder effect was investigated in detail. Then, SnSe material was first synthesised by solvothermal method and the synthesis parameters were determined. In order to prevent the capacity losses obtained from the Na-ion half-cell tests of SnSe material, it was added with tGR material at different ratios during the synthesis stage. The highest capacity density was obtained from SnSe-tGR material with 15% tGR addition. Finally, High-temperature selenisation of metal organic frameworks (MOF, metal: Co, Ni and Fe) based on gallic acid, obtained from the Jean Rouxel Institute in Nantes-Institut des Matériaux, France, was then carried out. CoSe2/C, NiSe/C and FeSe/C high porosity composites were obtained in one step. Na-ion half-cell battery tests of these materials were carried out. In addition, full cell testing was performed with NiSe/C material as an anode and NVPF cathode material.