Sodyum iyon piller için değişik biyokütle kaynaklarından sert karbon anot elektrot aktif maddelerin sentezi, karakterizasyonu ve elektrokimyasal performansının incelenmesi
Synthesis, characterization and investigation of electrochemical performance of hard carbon anode materials from various biomass for sodium ion batteries
Yazar: YAKUP YILMAZ
Danışman: PROF. DR. ŞABAN PATAT
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
SODYUM İYON PİLLER İÇİN DEĞİŞİK BİYOKÜTLE KAYNAKLARINDAN SERT KARBON ANOT ELEKTROT AKTİF MADDELERİN SENTEZİ, KARAKTERİZASYONU VE ELEKTROKİMYASAL PERFORMANSININ İNCELENMESİ
Yakup YILMAZ

Erciyes Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü
Doktora Tezi, Ocak 2024
Danışman: Prof. Dr. Şaban PATAT
ÖZET
Sert karbon, sodyum iyon piller için ucuz ve kolay sentezlenebilen en ümit verici anot elektrot aktif maddesidir. Sert karbon anot elektrot aktif maddesinin mikroyapısı ve elektrokimyasal özellikleri sentez şartlarına ve başlangıç maddelerine bağlı olarak değişmektedir. Bu çalışmada Ar atmosferinde ve 1300 oC sıcaklıkta ceviz kabuğu, kavak ağacı odunu, çam ağacı odunu, çam çırası ve sitrik asitten sert karbon sentezlendi. Sentezlenen sert karbon anot elektrot aktif maddeler; X-ışınları toz difraktometresi, alan emisyonlu taramalı elektron mikroskobu, Fourier transform kızılötesi ışınları spektroskopisi, Raman spektroskopisi ve N2 adsorpsiyon/desorpsiyonu ölçümü metotları ile karakterize edildi. X-ışınları toz difraktometresi, Raman spektroskopisi ve N2 adsorpsiyon/desorpsiyonu ölçüm sonuçlarına göre çam ağacı odunundan sentezlenen sert karbonun düzlemler arası d002 mesafesinin ve gözenek boyutunun diğerlerinden daha büyük, yüzey alanının daha küçük ve a kristal ekseni doğrultusundaki La kristal boyutunun daha büyük olduğu bulundu. Elektrokimyasal ölçüm sonuçlarına göre sentezlenen sert karbon anot elektrot aktif maddeler arasında çam ağacı odunundan türetilen sert karbonun 0.5C (150 mA/g) akım değerinde ve 0.01-3.00V (Na/Na+ çiftine karşı) potansiyel aralığında 56 döngüden sonrası kapasite korunumunun (%100) diğerlerininkinden daha büyük olduğu bulundu. Ar atmosferinde ve 0.5 oC/dk ısıtma hızında çam ağacı odunundan türetilen sert karbon anot elektrot aktif maddesinin spesifik deşarj kapasitesinin N2 atmosferi ve daha yüksek ısıtma hızında sentezlenenlere göre daha iyi olduğu bulundu. Ayrıca elektrolit derişiminin etkisi incelendiğinde sert kabon elektrot aktif maddesinin derişimi 0.6M olan NaPF6 elektrolit çözeltisinde spesifik deşarj kapasitesinin diğer elektrolit derişimlerindeki kapasite değerlerine göre daha yüksek olduğu bulundu. 
Anahtar Kelimeler: sodyum iyon piller, sert karbon, anot elektrot aktif maddeler

Abstract:
SYNTHESIS, CHARACTERIZATION AND INVESTIGATION OF ELECTROCHEMICAL PERFORMANCE OF HARD CARBON ANODE MATERIALS FROM VARIOUS BIOMASS FOR SODIUM ION BATTERIES

Yakup YILMAZ

Erciyes University, Graduate School of Natural and Applied Sciences 
PhD Thesis, January 2024
Supervisor: Prof. Dr. Şaban PATAT
ABSTRACT
Hard carbon is the most promising anode electrode active material for sodium ion batteries, which is cheap and easy to synthesize. The microstructure and electrochemical properties of the hard carbon anode electrode active material vary depending on the synthesis conditions and starting materials. In this study, hard carbon was synthesized from walnut shell, poplar wood, pine wood, pine kindling and citric acid in Ar atmosphere at 1300 oC. The synthesized hard carbon anode electrode active materials were characterized by X-ray powder diffraction, field emission scanning electron microscopy, Fourier transform infrared spectroscopy, Raman spectroscopy and N2 adsorption/desorption measurement methods. According to X-ray powder diffraction, Raman spectroscopy and N2 adsorption/desorption measurements, it was found that the d002 spacing and pore size of the hard carbon synthesized from pine tree wood were larger than the others, the surface area was smaller and the microcrystal size along the a-axis direction (La) was larger. According to the electrochemical measurement results, it was found that the capacity retention (100%) of the hard carbon anode electrode active materials derived from pine tree wood after 56 charge/discharge cycles at a current value of 0.5C (150 mA/g) and a potential range of 0.01-3.00V (vs. Na/Na+) was greater than that of the others. In addition, it was found that the specific discharge capacity of hard carbon anode electrode active material derived from pine tree wood in Ar atmosphere and 0.5 oC/min heating rate was better than those synthesized in N2 atmosphere and higher heating rate. Moreover, when the effect of electrolyte concentration was investigated, it was found that the specific discharge capacity of hard carbon electrode active material in the NaPF6 electrolyte solution with a concentration of 0.6M was higher than the capacity values in other electrolyte concentrations.

Keywords: sodium ion batteries, hard carbon, anode electrode active material