Vanadyum dioksit temelli malzemeler ile çinko iyon batarya katotlarının geliştirilmesi
Development of zinc-ion battery cathodes with vanadium dioxide-based materials
Yazar: BÜŞRA AYDOĞDU
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ RECEP YÜKSEL
Eskişehir Osmangazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrokimya ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Çinko iyon piller, enerji depolama cihazlarında, yüksek enerjili pillerde ve enerji depolama büyük ölçekli elektrik şebekesinde geniş uygulama alanına sahip olan çevre dostu, toksik olmayan, iyi güvenlik, düşük fiyat ve bol metalik Zn kaynakları nedeniyle büyük ilgi görmektedir. Sulu ZIB'ler de hafif asidik elektrolit çözeltileri kullanıldığı için glovebox veya yüksek saflıkta organik solventlere ihtiyaç duymadan ortam koşullarında üretilebilirler, bu nedenle  ZIB'lerin ölçeklenebilir üretimi diğer pil teknolojilerine kıyasla çok hızlı ve uygun maliyetlidir.
İkincil şarj edilebilir pil olarak, Zn iyon piller genellikle anot olarak metalik Zn ve katot olarak vanadyum/mangan bazlı veya Prusya mavisi benzeri bileşikler kullanır. Bu nedenle, yetenekli bir katodun keşfedilmesi, Zn iyon pillerin elektrokimyasal performansını önemli ölçüde artırabilir. Vanadyum elementinin çok değerliliği nedeniyle, vanadyum bazlı oksitlerin  Zn iyon piller için katot olarak kullanımı uygun olacaktır. Bununla birlikte, vanadyum oksitler, düşük elektronik iletkenliğe, tatmin edici olmayan döngü performansına ve zayıf hız kabiliyetine sahip olup, Zn iyon pillerde uygulamalarını engeller. Çeşitli vanadyum bazlı oksitler arasında vanadyum dioksitin monoklinik fazı (VO2(M)) metal-yalıtkan-geçiş (MIT) özelliğine sahiptir ve 68 oC civarında rutil faza ((VO2(R)) dönüşür. MIT özelliği sayesinde VO2'nin iletkenliği önemli ölçüde artar ve elektrokimyasal özellikler de iyileşir. Bu çalışmada, VO2 tabanlı katotlara sahip yüksek performanslı ZIB cihazları üretilmiş ve karakterize edilmiştir. Üretilen ZIB'ler, VO2 katotlarının MIT özelliği nedeniyle gelişmiş elektrokimyasal enerji depolama özelliklerine sahiptir. Sulu ZIB'lerde kullanılmak üzere düşük maliyetli ve çözelti bazlı yöntemlerle sentezlenen vanadyum dioksit bazlı malzemeler ve bunların grafen oksit kompozitlerinin belirgin avantajlar göstermesi bu tezin ana konusunu oluşturmuştur. Sulu ZIB'lerde kullanılmak üzere düşük maliyetli ve çözelti bazlı yöntemlerle sentezlenen vanadyum dioksit bazlı malzemeler ve bunların grafen oksit kompozitlerinin belirgin avantajlar göstermesi bu tezin ana konusunu oluşturmuştur. Bu bağlamda, ısıyla aktive olan VO2 ve bunların grafen oksit kompozitleri, yüksek performanslı katotlarda ve sulu Zn-iyon pil cihazlarında kullanılmıştır.

Abstract:
Zinc ion batteries have attracted great interest due to their environment-friendliness, non-toxic, good safety, low-price, and abundant metallic Zn resources, possessing extensive application in the fields of energy-storage devices, high-energy batteries, and the large-scale electric grid. Aqueous ZIBs use mildly acidic electrolyte solutions, so they can be fabricated under ambient conditions without the need for a glovebox or high-purity organic solvents, so the scalable production of ZIBs is very rapid and cost-effective compared to other battery technologies. 
As a secondary rechargeable battery, Zn ion batteries usually use metallic Zn as the anode and vanadium/manganese-based or Prussian blue analogous compounds as the cathodes. Thus, exploring a capable cathode could remarkably enhance the electrochemical performance of Zn ion batteries. Vanadium-based oxides would be suitable as cathodes for Zn ion batteries owing to the multi-valence of vanadium element. However, vanadium oxides suffer a low electronic conductivity, unsatisfactory cycling performance, and poor rate ability, hindering their application in Zn ion batteries. Among various vanadium-based oxides, the monoclinic phase of vanadium dioxide (VO2 (M)) has a metal-insulator-transition (MIT) property, and it is converted to rutile phase ((VO2 (R)) around 68 oC. Thanks to the MIT property, the conductivity of VO2 is significantly increased, and the electrochemical properties are also improved. In this work, high performance ZIB devices with VO2-based cathodes were fabricated and characterized. The fabricated ZIBs had improved electrochemical energy storage properties due to the MIT feature of VO2 cathodes. Vanadium dioxide based materials and their graphene oxide composites that were synthesized via low-cost and solution-based methods to be used in aqueous ZIBs to show distinct advantages, which was the main subject of this thesis. In this regard, heat-activated VO2 and their graphene oxide composites were used in high performance cathodes and aqueous Zn-ion battery devices.