Yüksek performanslı sulu çinko bataryaları için anot elektrot geliştirilmesi ve uygulaması
Development and application of anode electrode for high performance aqueous zinc batteries
Yazar: TAŞKIN ÇAMURCU
Danışman: PROF. DR. ERHAN DEMİRBAŞ
Gebze Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Enerji = Energy ; Kimya = Chemistry

Özet:
Sulu çinko iyon pillerdeki (ZIB) metalik çinko anotlar dendritik büyüme, düşük kulombik verimlilik ve döngü sırasında yüksek polarizasyondan mustariptir. Bu sorunların üstesinden gelebilmek için 3D akım toplayıcı kullanma fikri bütün çalışmalardan bir adım öne çıkmaktadır. Genellikle 3D ticari bakır köpüklere (CCuF) dayalı anot elektrotlar kullanılmaktadır. Ancak CCuF'lerin yüksek kalınlıkları, düşük elektroaktif yüzey alanı ve artan üretim maliyetleri nedeniyle alternatif 3D anotların geliştirilmesi gerekmektedir. Bu tez çalışmasında, ZIB'ler için tasarlanmış geniş yüzey alanına sahip uygun maliyetli anot elektrot sentezlenmiştir.
Anot elektrotlar dinamik hidrojen baloncuk şablonu (DHBT) tekniği kullanılarak üretildi ve 3D Cu köpüklerin (CuF) üzerine metalik Zn elektrokimyasal biriktirilmesiyle (Zn/CuF) sentezlendi. 3 farklı biriktirme süresine sahip (5s, 10s ve 20s) CuF akım toplayıcılar ile sentezlenen 3D Zn anot elektrotlar X-ışını kırınımı (XRD), taramalı elektron (SEM), enine-kesit SEM (cros-section) ve elementel haritalama-EDX ile karakterize edilmiştir.  Ayrıca 3D Zn/CuF elektrotlar simetrik, asimetrik ve tam hücre pil testleri gerçekleştirilmiştir. Tam hücre testlerini yürütebilmek için α-MnO2 katot aktif maddesi hidrotermal teknik ile sentezlendi ve XRD ve SEM ile karakterize edilmiştir.
Anot elektrotlar asimetrik hücreleri tekrarlayan biriktirme/sıyırma işlemi sırasında 500 saat boyunca, hızlı elektrokimyasal kinetik ve düşük polarizasyonun yanı sıra yaklaşık %99 gibi yüksek kulombik verimlilik (CE) sunmuştur (5 mA cm-2 akım yoğunluğunda, 1 mAh cm-2 kapasitede). Ayrıca, simetrik hücreleri 0,1 mA cm-2 akım yoğunluğunda 1000 saat boyunca düşük voltaj polarizasyonu ve kararlı voltaj profili sergilemiştir. Buna ek olarak, tam hücre testlerinde 0,1 A g-1 akım yoğunluğunda 266 mAh g-1 kapasite üretirken, 2 A g-1 akım yoğunluğunda tekrarlayan 200 şarj/deşarj döngüsü sonrasında 94 mAh g-1 kapasite elde edildi.

Abstract:
Metallic zinc anodes in aqueous zinc ion batteries (ZIB) suffer from dendritic growth, low coulombic efficiency and high polarization during cycling. To overcome these problems, the idea of using a 3D current collector is one step ahead of all efforts. Usually, anode electrodes based on 3D commercial copper foams (CCuF) are used. However, due to the high thickness, low electroactive surface area and increasing production costs of CCuFs, alternative 3D anodes need to be developed. In this thesis, a cost-effective anode electrode with large surface area designed for ZIBs was synthesized.
The anode electrodes were synthesized by electrochemical deposition of metallic Zn on 3D Cu foams (CuF) fabricated using dynamic hydrogen bubble template (DHBT) technique (Zn/CuF). 3D Zn anode electrodes synthesized with CuF current collectors with 3 different deposition times (5s, 10s and 20s) were characterized by X-ray diffraction (XRD), scanning electron (SEM), cross-section SEM and elemental mapping-EDX.  In addition, symmetric, asymmetric and full cell battery tests were performed on 3D Zn/CuF electrodes. In order to conduct full cell tests, α-MnO2 cathode active material was synthesized by hydrothermal technique and characterized by XRD and SEM.
The anode electrodes asymmetric cells presented fast electrochemical kinetics and low polarization as well as high coulombic efficiency (CE) of 99% (at a current density of 5 mA cm-2, capacity of 1 mAh cm-2) for 500 h during the repetitive deposition/stripping process. Furthermore, its symmetric cells exhibited low voltage polarization and stable voltage profile for 1000 hours at a current density of 0.1 mA cm-2. In addition, full-cell tests produced a capacity of 266 mAh g-1 at a current density of 0.1 A g-1, while a capacity of 94 mAh g-1 was achieved after 200 repeated charge/discharge cycles at a current density of 2 A g-1