Lityum-iyon bataryaların ısıl yönetimi için şekilce kararlı kompozit faz değiştiren malzemelerin tasarımı ve performansının deneysel olarak incelenmesi
Experimental investigation of the design and performance of shaped-stable composite phase-change materials for the thermal management of lithium-ion batteries
Yazar: AŞKIN YILDIZ
Danışman: DOÇ. DR. MEHMET SELÇUK MERT
Yalova Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Sistemleri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Enerji = Energy
Dizin: Batarya termal yönetim sistemi = Battery thermal management system ; Enerji = Energy ; Enerji depolama sistemi = Energy storage system ; Faz değişimi = Phase change ; Isı depolama = Heat storage ; Lityum iyon pil = Lithium ion battery

Özet:
Teknolojin gelişimi ile birlikte enerjiye olan ihtiyaç her geçen gün artmaktadır. Fosil yakıtların sınırlı bir ömre sahip olması, kullanımı sonucunda meydana gelen çevresel etkiler ve fosil kaynaklarının dünya üzerinde düzgün bir dağılıma sahip olmaması, insanoğlunu yeni arayışlara yöneltmiştir. Bu durum, yenilenebilir enerji kaynaklarına bağlı enerji sistemlerinin yaygınlaşmasına katkı sağlarken, özellikle güneş ve rüzgâr enerjisine dayalı sistemlerde ortaya çıkan süreklilik problemiyle sınırlanmaktadır. Bu soruna çözüm getirmek için, son yıllarda enerji depolama teknolojilerinin kullanımı önemli bir alternatif olarak dikkat çekmektedir. Enerjinin depolanarak kullanılması ihtiyacın ortaya çıkmasına bağlı olarak kullanıma izin vermektedir. Bu bağlamda, gizli ısıl enerji depolama umut vadeden enerji depolama yöntemlerinden bir tanesidir. Faz değiştiren malzemeler olarak adlandırılan yeni nesil akıllı enerji malzemeleri ile enerji gizli ısı formunda depolanabilir. 
Enerji depolama teknolojileri arasında yer alan önemli seçeneklerden bir diğeri de elektrokimyasal depolamaya olanak sağlayan güç bataryalardır. Hayatın içinde önemli bir yer tutan bataryaların çalışmasını etkileyen faktörlerden biri de sıcaklık ve dolayısıyla batarya ısıl yönetimidir. Bu tez çalışmasında, elektrikli ve hibrit araçlar başta olmak üzere pek çok alanda kullanılan Lityum iyon bataryaların ısıl yönetiminde kullanılmak üzere kompozit faz değiştiren malzemelerin tasarlanması amaçlanmıştır. Böylece, bilinen iki enerji depolama teknolojisinin hibrit olarak çalıştırılması hedeflenmiştir. Çalışma kapsamında bataryaların işletim koşulları ile uyum gösteren kaprik asit faz değiştiren madde olarak kullanılarak çalışma koşullarına uyumlu kompozit enerji malzemelerin üretimi gerçekleştirilmiştir. Bununla birlikte, tasarlanan kompozit enerji malzemeleri deneysel bir sistem hazırlanarak test edilmiş ve Lityum iyon bataryanın ısıl performansı incelenmiştir. 
Farklı reçeteler ile tek adımda impregnasyon yöntemiyle elde edilen kaprik asit/kaolinit kompozit FDM'leri içinde CK40 olarak adlandırılan % 40 kaprik asit ve % 60 kaolinit kullanılarak hazırlanan kompozit FDM ile en yüksek ısıl enerji depolama kapasitesine ulaşılmış ve elde edilen kompozit FDM'de sızıntı oluşmamıştır. Analiz sonuçlarına göre, üretilen CK40 kompozit FDM'nin pik erime sıcaklığı Tpik-erime= 33,47ºC, ısıl enerji depolama kapasitesi ΔHerime= 73,07 J/g olarak bulunmuştur. Sonuç olarak, kaprik asit/kaolinit (CK40) kompozit FDM'sinin elektrikli araçlarda kullanılan Lityum iyon bataryaların ısıl yönetimi için uygun bir aday olabileceği ve önemli bir performans sağlayabildiği deneysel olarak gösterilmiştir.

Abstract:
With the development of technology, the need for energy is increasing day by day. The limited lifespan of fossil fuels, the environmental effects resulting from their use, and the lack of a uniform distribution of fossil resources around the world have led human beings to search for new ones. While this situation contributes to the spread of energy systems based on renewable energy sources, it is limited by the continuity problem that arises especially in systems based on solar and wind energy. In order to solve this problem, the use of energy storage technologies has attracted attention as an important alternative in recent years. The use of energy by storing allows use depending on the emergence of the need. In this context, latent thermal energy storage is one of the promising energy storage methods. With the new generation smart energy materials called phase change materials, energy can be stored in the form of latent heat.
Another important option among energy storage technologies is power batteries that allow electrochemical storage. One of the factors affecting the operation of batteries, which have an important place in life, is temperature and therefore battery thermal management. In this thesis, it is aimed to design composite phase change materials to be used in the thermal management of Lithium batteries used in many fields including electric and hybrid vehicles. Thus, it is aimed to operate two known energy storage technologies as hybrids. Within the scope of the study, phase change materials compatible with the operating conditions of the batteries will be prepared and the production of composite energy materials compatible with the operating conditions will be realized. In addition, the designed composite energy materials was tested by preparing an experimental system and thermal performance of an Lithium ion battery was investigated.
Among the capric acid/kaolinite composite PCMs obtained by one-step impregnation with different recipes, the highest thermal energy storage capacity was achieved with the composite PCM prepared by using 40% capric acid and 60% kaolinite, called CK40, and no leakage occurred in the obtained composite PCM. According to the analysis results, the peak melting temperature of the produced CK40 composite PCM was found to be Tpeak-melting= 33.47 ºC, and the thermal energy storage capacity was ΔHmelting= 73.07 J/g. Consequently, it has been experimentally shown that capric acid/kaolinite (CK40) composite PCM can be a suitable candidate for the thermal management of Lithium-ion batteries used in electric vehicles and can provide significant performance.