Kullanılmış lityum iyon pillerden kobalt içeren bileşiklerin geri kazanılması ve bu maddelerin süperkapasitörlerde elektrot malzemesi olarak kullanımlarının araştırılması
Recovery of cobalt-containing compounds from spent lithium ion batteries and investigation of the use of these materials as electrode materials in supercapacitors
Yazar: SEZGİN YAŞA
Danışman: DOÇ. DR. METİN GENÇTEN ; DR. ÖĞR. ÜYESİ BURAK BİROL
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Dünyada enerji depolama sistemlerine olan ihtiyacın hızla arttığı ve kaynakların sınırlı olduğu göz önüne alındığında, kullanılmış enerji depolama sistemlerinin geri dönüşümden yeni ürünlerin geliştirilmesi oldukça önemli bir konu haline gelmektedir. Dünyadaki kaynakların hızla tüketilmesinin, geri dönüşüm yoluyla üretilecek malzemelere olan ihtiyacı artıracağı ise başka bir gerçektir. Bu çalışma kullanılmış lityum iyon pillerden R CoS, R CoxSy ve Co(OH)2 gibi yeni malzemelerin geri dönüşüm yoluyla üretimini kapsamaktadır. Bu çalışmada, kullanılmış ticari LiCoO2 tipi Li iyon pil (LCO), asimetrik tip süperkapasitör elektrot bileşenleri için yeni malzemeler üretmek amacıyla kullanılmıştır. Öncelikle kullanılmış lityum iyon piller parçalanarak LCO içeren aktif madde alınmış daha H2O2 içeren H2SO4 çözeltisinde ve H2O2 içeren HNO3 çözeltilerinde liç işlemleri yapılmıştır. Çözeltideki Co+2 iyonları R CoS, R CoxSy ve Co(OH)2 formunda çöktürülmüştür. Co(OH)2 ayrıca 450 ºC ve 1000 ºC' de kalsinasyon işlemlerine tabi tutularak sırasıyla, Co3O4--450 ve Co3O4--1000 malzemeleri üretilmiştir. Üretilen bütün malzemeler süperkapasitör elektrot malzemesi bileşeni olarak kullanılmış ve düğme pil tipi süperkapasitörler DPTAS'lar üretilmiştir. Üretilen DPTAS'ların elektrokimyasal özelliklerini değerlendirmek için GCD, CV ve EIS ölçümleri kullanılmıştır. Pozitif elektrot bileşiminde farklı oranlarda R--CoS kullanılan DPTAS'lar içindeki en yüksek spesifik kapasitans değeri, 1 A.g--1 akım yoğunluğunda 70.5 F.g--1 olarak K80 kodlu DPTAS'da elde edilmiştir. 1 A.g--1 akım yoğunluğunda en yüksek alansal kapasitans değeri ise K80 kodlu DPTAS'da 1277 mF.cm--2 olarak belirlenmiştir. K80 kodlu DPTAS ile yapılan uzun döngü testi sonucunda başlangıç kapasitansını %95,3 oranında koruduğu belirlenmiştir. Pozitif elektrot bileşiminde farklı oranlarda R--CoxSy ve KK--GO ile hazırlanan DPTAS'lardan en yüksek alansal kapasitans değerinin, KS/KK--GO%15 kodlu DPTAS'da olduğu belirlenmiştir ve bu değer 3 mA.cm--2 akım yoğunluğunda 101 mF.cm--2 olarak ölçülmüştür. KS/KK--GO%15 kodlu DPTAS ile yapılan 1000 döngü testi sonucunda başlangıç kapasitansının yaklaşık %94 oranında korunduğu belirlenmiştir. Co(OH)2, Co3O4--450 ve Co3O4--1000 kullanılarak Co(OH)2/KK, Co3O4--450/KK ve Co3O4--1000/KK kodlu DPTAS'lar üretilmiştir. Co3O4--450/KK kodlu DPTAS'da, 1 mA.cm--2 akım yoğunluğunda 98 mF.cm--2 olan en yüksek alansal kapasitans değerine ulaşılmıştır. Co3O4--450/KK kodlu DPTAS ile yapılan 1000 döngü testi sonucunda başlangıç kapasitansını %100'ün üzerinde koruduğu belirlenmiştir.
Anahtar Kelimeler: Lityum İyon Pil, Geri Dönüşüm, Süperkapasitör, Elektrokimyasal Karakterizasyon

Abstract:
Considering that the need for energy storage systems is rapidly increasing in the world and resources are limited, it becomes clear that the development of new products from recycling of spent energy storage products is a very important issue. Another fact is that the rapid consumption of resources in the world will increase the need for materials produced through recycling. This study covers the production of new materials such as R-CoS, R-CoxSy, and Co(OH)2 from used lithium ion batteries by recycling. In this study, spent commercial LiCoO2 (LCO) type Li-ion battery was used to produce new materials for asymmetric type supercapacitor electrode components. First of all, spent lithium ion batteries were disassembled and the active substance containing LCO was taken, and then leaching processes were carried out in H2SO4 solution containing H2O2 and HNO3 solutions containing H2O2. Co+2 ions in the solution were precipitated in the form of R-CoS, R-CoxSy and Co(OH)2. Co(OH)2 was also subjected to calcination processes at 450 ºC and 1000 ºC to produce Co3O4-450 and Co3O4-1000 materials, respectively. All produced materials were used as supercapacitor electrode material components and coin cell type supercapacitors CCTSs were produced. GCD, CV and EIS measurements were used to evaluate the electrochemical properties of the produced DPTASs. The highest specific capacitance value among CCTSs using different rates of R-CoS in the positive electrode composition was obtained in the K80 coded CCTS as 70.5 F.g-1 at a current density of 1 A.g-1. The highest areal capacitance value at 1 A.g-1 current density was determined as 1277 mF.cm-2 in CCTS coded K80. As a result of the long cycle test performed with CCTS coded K80, it was determined that it retained its initial capacitance at a rate of 95.3%. It was determined that the highest areal capacitance value of the CCTS prepared with different ratios of R-CoxSy and KK-GO in the positive electrode composition was in the CCTS coded KS/KK-GO%15 and this value was Measured as 101 mF.cm-2 at a current density of 3 mA.cm-2. As a result of 1000 cycle tests performed with CCTS coded KS/KK-GO%15, it was determined that the initial capacitance was preserved at approximately 94%. CCTS with codes Co(OH)2/KK, Co3O4-450/KK and Co3O4-1000/KK were produced using Co(OH)2, Co3O4-450 and Co3O4-1000. In CCTS coded Co3O4-450/KK, the highest areal capacitance value of 98 mF.cm-2 was reached at a current density of 1 mA.cm-2. As a result of the 1000 cycle test performed with CCTS coded Co3O4-450/KK, it was determined that the initial capacitance was preserved over 100%.
Keywords: Lithium ion Battery, Recycling, Supercapacitor, Electrochemical Characterization