Metal sülfür bileşiklerinin  sodyum iyon bataryalarda elektrot  malzemesi olarak kullanılması
Metal sulfide composites as an electrode material for sodium ion batteries
Yazar: MEHBARE DOĞRUSÖZ
Danışman: DOÇ. DR. REZAN DEMİR ÇAKAN
Gebze Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Kalay = Tin ; Metal sülfür = Metal sulfur ; Sodyum iyon piller = Sodium ion batteries ; Çinko = Zinc

Özet:
Sodyum iyon piller, lityum iyon pillerin alternatifi ve tamamlayıcısı olarak
görülmektedir. Sodyum iyon piller, sodyum kaynaklarının yerkürede daha eşit
dağılması ve daha çok bulunması nedeniyle maliyet açısından avantaj sağlamasının
yanı sıra, lityum iyon pillerle benzer performans karakteristiklerine sahip olması
bakımından özellikle yenilebilir enerji kaynaklarından elde edilen enerjinin
depolanması konusunda öne çıkmaktadır. Ancak sodyum iyon pillerin ticarileşmesini
sınırlandıran bazı engeller bulunmaktadır. En başta gelen sorun ise, sodyum metalinin
lityum metaline göre daha büyük iyon yarıçapına sahip olmasına bağlı olarak elektrot
malzemesinde meydana gelen hacim genleşmesidir. Ayrıca, ticari lityum iyon
pillerinin büyük çoğunluğunda kullanılan grafit anot, tabakalar arası boşluklarına
sodyum iyonları yerleşemediği için bu pillerde beklenen performansı
sergileyememektedir.
Bu doğrultuda, yürütülen tez çalışmasında metal sülfür anot malzemelerinin
geliştirilmesi ve sodyum iyon pillerdeki performansının araştırması yapılmıştır. Anot
malzemesi sentezlenirken çevre dostu, tek basamaklı ve hızlı yöntemlerin
uygulanması esas alınmıştır. Bu nedenle ilk olarak, bilyalı değirmende SnS fazının
elde edilmesi ve karbon ilavesi ile performans değişimi incelenmiştir. Daha sonra aynı
faz mikrodalga reaktörde sentezlenmiş ve sodyum depolama kabiliyeti araştırılarak iki
sentez yöntemi karşılaştırılmıştır. Mikrodalga reaktörde sentezi yapılan bir diğer metal
sülfür ise ZnS fazı olmuştur. Bu bölümde farklı komplekştirici ajanların morfolojiye
ve elde edilen malzeme miktarının değişimine etkisi ile birlikte sodyum iyon pil
performansı incelenmiştir. En son bölümde ise metal organik kafes yapısından elde
edilen NiS/C fazının sodyum depolama potansiyeli incelenmiştir. Bu malzemelerin
elde edilmeleri için sentez çalışmalarının yanı sıra, farklı bağlayıcı türlerinin birbiri ile
kıyaslaması yapılmıştır. Bu bağlayıcı türlerinin farklı performans göstermelerinin
sebepleri ise detaylı olarak incelenmeye çalışılmıştır. Son olarak mikrodalga reaktörde
sentezi yapılan SnS/C kompozit anot malzemesi seçilmiş ve NVPF katot kullanılarak
tam bir soyum iyon hücresi elde edilmiştir. Bu hücrenin çevrim performansı da
incelenerek elde edilen sonuçlar irdelenmiştir.

Abstract:
Sodium ion batteries generally acccepted as alternative or complementary
technology of lithium ion batteries. Sodium ion battteries have some advantages due
to the the abundance and equal distribution on the earth of sodium resources.
Additionally, sodium ion batteries come into prominence in the field of renewable
energy storage systems because of their similar performance characteristic with the
lithium ion batteries. However, sodium ion batteries have some obstacles in front of
the commercialization. In the first row of the problems is the bigger ionic radius of
sodium and therefore directly connected volume expansion. In addition, despite the
prevalent use of the graphite anode in commercial lithium ion battery systems, it is not
suitable for the sodium ion batteries due to the bigger ionic radius of the sodium ion
for the graphite interlayers.
Hence, the conducted thesis study, covers the alternative metal sulfide anode
development and investigation of their electrochemical performances. During the
preparation of the anode materials, the one step, environmentally friendly and less time
consuming synthesis procedures were selected. To do so, the first anode performance
was investigated by the mechanochemically synthesized SnS phase with and without
carbon addition. In addition, the same SnS phase was obtained via microwave assisted
polyol route procedure and explored sodium storage capability. ZnS phase was
synthesized by the same method as of SnS as an alternative anode material. In that
chapter of thesis, different complexing agents were tested to understand the effect on
changing morphology and yield of ZnS. In the last chapter, NiS/C phase was derived
from gallic acid based nikel containing metal organic framework and examined its
sodium storage potential. Besides the different synthesis method of the anode samples,
type of binders were compared with each other and were investigated with the details.
Finally, SnS/C composite was assembled with the NVPF cathode to demonstrate the
rationalization of the full sodium-ion cell.