Sulu elektrolit sodyum iyon  bataryalar için katot malzemelerinin geliştirilmesi
The development of cathode materials for sodium-ion batteries with aqueous electrolyte
Yazar: BURAK TEKİN
Danışman: DOÇ. DR. REZAN DEMİR ÇAKAN
Gebze Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Elektrokimyasal piller = Electrochemical cells

Özet:
Sodyum-iyon  piller,  Na  rezervlerinin  bolluğu  ve  ekonomik  olarak  ucuz olmasının  yanı  sıra  Li  ile  Na  arasındaki  elektrokimyasal  benzerlikten  dolayı  ticari lityum-iyon piller  için alternatif ve cazip bir aday olarak düşünülmektedir.  Na-iyon sistemlerinin en önemli dezavantajı, Li iyonuna kıyasla Na'un daha büyük  moleküler 
ağırlığından dolayı  ortaya çıkan  enerji yoğunluğunun düşük olmasıdır.  Düşük enerji yoğunluğu  ancak  sabit  (taşınmaz)  enerji  uygulamalarında  uygulamanın  toplam maliyeti düşük olduğunda ya da kullanılabilir cihaz ömrü çok uzun ise kabul edilebilir. Düşük  maliyetli,  güvenilir  ve  çevre  dostu  pil  sistemleri  ise  ancak  suyun  elektrolit çözücüsü olarak kullanıldığı sistemler ile mümkündür. Mevcut bu tez çalışmasında,  sulu  elektrolitler kullanılarak şarj edilebilen Naiyon  piller  için  potansiyel  katot  malzemelerinin  elektrokimyasal  optimizasyonu
üzerine  odaklanılmıştır. Potansiyel  katot  adayları  olarak  metal  oksit  bileşiklerinden Na0.44MnO2  ve  λ-MnO2  ile  polianyonik  bileşiklerden  FePO4,  Na3V2(PO4)3  ve Na3V2(PO4)2F3  çalışılmış  ve  bu  elektrotların  sentezi,  yapısal  ve  elektrokimyasal karakterizasyonları  detaylı  olarak  tartışılmıştır.  Yarım  hücre  deneylerinde  (sadece katot  malzemesinin  test  edildiği  ortamda),  her  bir  katot  malzemesinin  ayrı  ayrı elektrokimyasal  davranışlarının  en  iyi  olduğu  ortam  koşulları  optimize  edilmiştir. Daha sonra sulu elektrolit içerinde çözünme problemi ile karşılaşılan Na3V2(PO4)3 ve Na3V2(PO4)2F3  malzemeleri dışındaki diğer katot malzemeleri  ile tam hücre testleri yapılmıştır. Bu testlerde anot olarak çözünmüş polisülfit (Na2Sx) ve/veya  karbon yapılı 
malzemeler  katot  ile  bir  araya  getirilerek  tam  hücreler  test  edilmiştir.  Tam  hücre çalışması  yapılmayan  Na3V2(PO4)3  ve  Na3V2(PO4)2F3  malzemelerinin  ise  organik elektrolit  ortamlarında  elektrokimyasal  testler  yapılarak  sulu  elektrolit  ortamdaki testler ile karşılaştırılmıştır.

Abstract:
Sodium-ion batteries are considered as an attractive and meaningful selection to commercial  lithium-ion  batteries  due  to  the  abundance  and  cost-effective  of  Na sources,  as  well  as  electrochemical  similarity  between  Li  and  Na.  The  most outstanding drawback of sodium ion batteries is to find an appropriate structure that will host to the sodium ion, due to fact that sodium has larger ionic diameter then Liion.  Low  energy  density  is  acceptable  for  fixed  (immovable)  energy  applications, provided that  the total price of application is cost effective and the usable device life is too long. Energy storage devices that are inexpensive, safety and environmentalfriendly can be designed using aqueous electrolyte, despite the low voltage stability window of the water. In  this  work,  the  focus  point  is  on  the  structural  and  electrochemical characterization of potential cathode materials for rechargeable Na-ion batteries using aqueous electrolytes. Among the studied cathode materials were  Na0.44MnO2  and  -MnO2  in  conjunction  with  FePO4,  Na3V2(PO4)3  and  Na3V2(PO4)2F3.   All  cathode materials were firstly  produced by using an appropriate synthesizing procedure and conformed  by  material  characterization  techniques  such  as  XRD,  SEM,  TEM  and EDAX. Afterward, the electrochemical functionality of each electrode material was individually optimized by constant-current charge/discharge and cyclic voltammetry tests in half-cell experiments. Positive electrodes (Na0.44MnO2,  -MnO2  and FePO4) were employed in full-cell configuration together with sodium  polysulfide  (Na2Sx). NASICON-type  Na3V2(PO4)3  and  Na3V2(PO4)2F3  electrodes  were tested  in organic electrolyte  mediums  in  a  two-component  Swagelok  cell  since  they  could  not  act 
electrochemically  in  aqueous  electrolyte.  After  completed  the  electrochemical  tests carried  out  in  organic  electrolyte,  electrochemical  performances  of  both  electrodes were compared to their counterparts.