Lityum hava pillerde enerji depolama ve yaşam döngüsü analizi
Energy storage and life-cycle assessment in lithium air batteries
Yazar: AHSEN AKBULUT ULUDAĞ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ALİYE SUNA ERSES YAY
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Lityum hava piller, teorik olarak günümüzün en iyi lityum iyon pil teknolojisinden en az 10 kat daha yüksek enerji yoğunluğuna sahip olmaları nedeniyle, elektrikli araçlarda egzoz emisyonlarını düşürecek bir teknoloji ortaya çıkarabileceği beklentisi doğmuştur. Bu pillerin teorik kapasitesi yüksek olmasına rağmen pratikte elde edilebilen kapasite ve enerji yoğunluklarının geliştirilmesi için araştırmalar sürdürülmektedir.

Bu çalışmanın amacı, laboratuvar ölçeğinde üretilen Li-hava pillerden elde edilen veriler kullanılarak, içten yanmalı motorlu taşıtlara ve diğer pil teknolojilerine kıyasla lityum-hava pillerin çevresel etkilerini analiz ederek avantaj ve dezavantajlarını ortaya koymaktır. Bu tez çalışmasında, hava geçirgen katodun lityum oksit ile tıkanmasını önlemek ve lityum metal anot stabilitesini sağlayabilmek için TEGDME+LiPF6 elektrolite PVDF polimer ve Al2O3, SiO2 nano seramik partikül ilaveleri yapılmıştır. Nikel köpük üzerine kaplanmış grafen/-MnO2 nanokompozit, hava geçirgen katot olarak kullanılmıştır. ECC-Air test hücrelerinde cam elyaf separatör, lityum metal ise anot olarak kullanılmıştır. Hücreler 2,15-4,25 V'luk bir voltaj aralığında test edilmiştir. Sonuçlar, ağırlıkça %1 PVDF ve %0,5 Al2O3, %0,5 SiO2 seramik nanopartikül ilavelere sahip hibrit elektrolitlerin, hücrenin stabilitesini, şarj-deşarj kapasitesini ve çevrim verimini arttırdığını göstermiştir. Elektrokimyasal çevrim testlerinden sonra, katot morfolojileri reaksiyon ürünlerini belirlemek için taramalı elektron mikroskobu SEM ve Raman analizleri gerçekleştirilmiştir.  

Çalışma kapsamında, Lityum hava pillerin üretimi, teknolojisinin gelişimi ve kullanımının Yaşam döngüsü Analizi (YDA) yapılarak incelemek ve geleceğin enerji depolama teknolojilerinden olacak batarya teknolojisini geliştirmek ve çevresel açıdan yönlendirmek amacı güdülmüştür. Lityum hava hücreleri, ham madde üretimi, katot imalatı, hücre hazırlanması, batarya birleştirilmesi ve bataryanın elektrikli bir araçta kullanılma süreçleri göz önüne alınarak analiz edilmiştir. Fonksiyonel birim olarak içten yanmalı motorlu araçlarla ve diğer pil teknolojileri ile mukayesenin kolay olabilmesi için "1km başına çevresel etki" ortak paydası tercih edilmiştir. YDA etkileri, küresel ısınma potansiyeli, abiyotik kaynakların tükenmesi ve insan toksisitesi açısından ölçülmüştür. YDA sonucunda, bataryanın çevresel etkilerinin büyük oranda pil hücresi için katot üretimi esnasında ihtiyaç duyulan yüksek elektrik enerjisinden kaynaklandığı tespit edilmiştir. Henüz araştırmaların başında olunan lityum hava pil teknolojisinin, fosil yakıtlar ile çalışan içten yanmalı motorlardan daha düşük emisyon değerine sahip olduğu tespit edilmiştir.

Abstract:
Since lithium air batteries theoretically have at least 10 times higher energy density than today's best lithium-ion battery technology, the expectation has arisen that they can create a technology that will reduce exhaust emissions in electric vehicles. Although the theoretical capacity of these batteries is high, researches are being carried out to improve the capacity and energy density that can be obtained in practice.

The aim of this study is to analyze the environmental effects of lithium-air batteries compared to internal combustion engine vehicles and other battery technologies, and to reveal their advantages and disadvantages. In this thesis study, PVDF polymer and Al2O3, SiO2 nano ceramic particles were added to TEGDME + LiPF6 electrolyte to prevent clogging of air permeable cathode with lithium oxide and to ensure lithium metal anode stability. Graphene / -MnO2 nanocomposite coated on nickel foam was used as air permeable cathode. Glass fiber separator and lithium metal were used as anode in ECC-Air test cells. Cells were tested in a voltage range of 2.15-4.25 V. The results showed that hybrid electrolytes with additions of 1% PVDF and 0.5% Al2O3, 0.5% SiO2 by weight of ceramic nanoparticles increased cell stability, charge-discharge capacity and cycle efficiency. After the electrochemical cycle tests, scanning electron microscopy SEM and Raman analyzes were performed to determine the reaction products of cathode morphologies.

Within the scope of the study, it was aimed to examine the production, development of technology and use of Lithium air batteries by performing Life Cycle Assesment (LCA) and to develop and environmentally guide the battery technology. Lithium air cells have been analyzed considering the processes of raw material production, cathode manufacture, cell preparation, battery assembly and use of the battery in an electric vehicle. The common denominator of "environmental impact per 1 km" has been chosen as a functional unit in order to make it easy to compare with internal combustion engine vehicles and other battery technologies. LCA effects were measured in terms of global warming potential, depletion of abiotic resources and human toxicity. It has been determined that the environmental effects of the battery are largely due to the high electrical energy required during cathode production for the battery cell.