Elektrokimyasal enerji depolama uygulamaları için nanoyapı-kontrollü elektrot malzemelerinin geliştirilmesi
Development of nanostructure-controlled electrode materials for electrochemical energy storage applications
Yazar: NERİMAN SİNAN TATLI
Danışman: PROF. DR. ECE ÜNÜR YILMAZ
Bursa Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Enerji = Energy ; Kimya = Chemistry ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Enerji güvenliğinin sağlanması ve yenilenebilir enerji kaynaklarının "kesintili güç arzı" sınırlamasının üstesinden gelinmesi için verimli enerji depolama teknolojilerine ihtiyaç vardır. Süperkapasitörler, uzun çevrim ömürleri ve yüksek spesifik güçleri (hızlı şarj-deşarj) sayesinde anlık güç aktarımı gerektiren uygulamalarda bataryalara göre daha avantajlıdır. Ancak, süperkapasitörlerin ticari uygulamalarının yaygınlaşması için spesifik enerjilerinin arttırılması gerekmektedir. Elektrot malzemelerinin nanoyapılandırılması (difüzyon mesafelerinin kısaltılması) ve elektriksel çift tabaka (EDL) kapasitans ile pseudo-kapasitans mekanizmalarından aynı anda yararlanacak hibrit/kompozit elektrotların üretimi güç performansından ödün vermeden yüksek spesifik enerji değerlerine ulaşılmasını sağlar.
Bu çalışmada, yüksek performanslı enerji depolama malzemelerinin geliştirilmesine yönelik yenilikçi yöntemler sunulmuştur. Çalışma kapsamında, "kendi kendini şablonlama" yaklaşımı ile herhangi bir harici şablon kullanılmadan enerji depolama uygulamaları için boşluklu hibrit yapılar sentezlenmiştir. Bu doğrultuda öncelikle "kendi kendini şablonlama" yaklaşımına uygun metal esaslı başlangıç malzemeleri (metal oksit, metal karbonat, metal organik kafesler) sentezlenmiş ve ardından bu malzemeler çeşitli yöntemler ile gözenekli ve içi boş metal oksit nanoyapılara dönüştürülmüştür. Bu içi boş yapılar, iyon/elektron difüzyon mesafelerini kısaltarak ve hacim değişikliklerini tamponlayarak elektrokimyasal performansı arttırmıştır, böylece çevrim ömrünü uzatmıştır. Son olarak üretilen boşluklu nanoyapıların elektrokimyasal performansını arttırmak üzere kompozit/hibrit malzemeler sentezlenmiştir. Sentezlenen malzemelerin fiziksel, kimyasal ve elektrokimyasal özellikleri incelenerek sulu ortamda elektrokimyasal enerji depolama alanında uygulanabilirlikleri test edilmiştir.
Sonuç olarak, bu araştırma, kendi kendini şablonlama teknikleri ve kompozit malzeme tasarımları kullanılarak yüksek performanslı süperkapasitörler için yenilikçi elektrot malzemelerinin sentezini ve uygulamasını başarıyla göstermiştir. Tez kapsamında ele alınan dört temel çalışma kapsamında, kısmen içi boş pseudokübik karbon nanoyapıları, Fe katkılı sıkı istiflenmiş grafen, PANI aşılı radyal gözenekli MnO2 ve gözenekli MnFe2O4/MnO2 kompozitleri geliştirilmiştir. Her bir malzeme yenilikçi yöntemler ile sentezlenmiş ve elektrokimyasal testler sonucu spesifik kapasitans, hız kapasitesi ve çevrim ömründe önemli gelişmeler ortaya çıkarılmıştır. Bu çalışmaların genel amacı, yüksek performanslı ve düşük maliyetli enerji depolama malzemeleri geliştirmektir. Bu çalışmalar "kendi kendini şablonlama" yaklaşımı ile herhangi bir harici şablon kullanılmadan yenilikçi elektrot malzemelerinin sentezi ve uygulamasına yönelik kapsamlı bir çalışma sunarak literatüre değerli içgörüler ve katkılar sağlamaktadır. Bu gelişmiş nanoyapılı malzemelerin başarılı sentezi ve karakterizasyonu, enerji depolama uygulamaları için yüksek performanslı, sürdürülebilir ve düşük maliyetli çözümler geliştirmede yenilikçi yaklaşımların önemini vurgulamaktadır.

Abstract:
Efficient energy storage technologies are essential to ensure energy security and address the intermittent availability of renewable energy sources. Supercapacitors, with their longer cycle lives and higher specific powers compared to batteries, are ideal for applications requiring instantaneous power delivery. However, their low specific energy remains a challenge for widespread commercial use. To overcome this, nanostructuring electrode materials to shorten diffusion distances and developing hybrid/composite electrodes that leverage both electrical double layer (EDL) and pseudo-capacitance mechanisms are effective strategies to achieve high specific energy without compromising power performance.
This study presents novel approaches to the development of energy storage materials with superior performance. The study focused on synthesizing hollow hybrid structures for energy storage applications using the "self-templating" approach, without the need for external templates. At first, we synthesized metal-based precursor materials (such as metal oxides, metal carbonates, and metal organic frameworks) that were suitable for the "self-templating" approach. The materials were transformed into porous and hollow metal oxide nanostructures through a variety of methods. The electrochemical performance of these hollow structures was improved by reducing ion/electron diffusion distances and mitigating volumetric changes, resulting in a longer cycle life. Additionally, composite/hybrid materials were synthesized to optimize the electrochemical performance of the hollow nanostructures. We thoroughly analyzed the physical, chemical, and electrochemical properties of the synthesized materials and conducted tests to evaluate their suitability for electrochemical energy storage in aqueous media.
This research effectively showcased the synthesis and application of innovative electrode materials for high-performance supercapacitors. The study utilized self-templating techniques and composite material designs to achieve these results. The thesis includes four main studies that delve into the development of partially hollow pseudocubic carbon nanostructures, Fe-doped densely stacked graphene, PANI-grafted radial porous MnO2, and porous MnFe2O4/MnO2 composites. The materials were synthesized using advanced techniques, resulting in notable enhancements in specific capacitance, rate capability, and cycle life as demonstrated by electrochemical tests. Our studies have a clear objective: to create energy storage materials that are both efficient and affordable. The studies offer significant contributions to the field by presenting a thorough investigation on the synthesis and application of novel electrode materials using the "self-templating" approach, without the need for external templates. The synthesis and characterization of these nanostructured materials demonstrate the significance of innovative methods in creating efficient, eco-friendly, and affordable solutions for energy storage.