Sodyum iyon pillerde katot olarak kullanılabilecek prusya mavisi analoglarının sentezlenmesi, karbon kompozitlerinin üretilmesi ve performanslarının elektrokimyasal ve In Silico olarak araştırılması
Synthesis of prussian blue analogues, production of carbon composites and electrochemical and In Silico investigation of their performance in sodium ion batteries
Yazar: BERKAY SUNGUR
Danışman: PROF. DR. EDİP BAYRAM
Akdeniz Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Kimya Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Enerji = Energy ; Kimya = Chemistry

Özet:
Dünya genelinde artan enerji talebinin doğaya ve çevreye zarar vermeksizin karşılanmasında yenilenebilir enerji teknolojileri, tek çözüm olarak öne çıkmaktadır. Bu bağlamda, enerji arzının kesintisiz sağlanabilmesi amacıyla elektrokimyasal enerji depolama sistemlerinin önemli bir rol üstlendiği belirtilmektedir. Bu sistemler arasında Na-iyon bataryalar (SIB) Li-iyon bataryalarına (LIB) kıyasla, ekonomik ve sürdürülebilir bir alternatif olarak dikkat çekmektedir. Bu tez çalışmasında, SIB'lerde katot olarak kullanılabilecek Prusya Mavisi Analogları (PBA), endüstriyel üretime uygun ve ölçeklenebilir çöktürme yöntemi ile başarıyla sentezlenmiştir. Demir bazlı PBA sentezinde üretim parametreleri optimize edilerek, optimum koşullarda Mangan katkılanmış Demir bazlı PBA ve azot katkılanmış grafen (N-GN) içeren Demir bazlı PBA üretilip çeşitli fizikokimyasal ve elektrokimyasal analizlerle karakterize edilmiştir.
Sentez ve karakterizasyon aşamalarında elde edilen bulgular doğrultusunda, Fe-PBA-23 örneğinin optimize edilmiş sentez koşulları sayesinde yüksek kristaliniteye ve düşük kristal su miktarlarına sahip olduğu tespit edilmiştir. Elektrokimyasal analiz sonuçları, Fe-PBA-23 malzemesinin sodyum iyon bataryaları için potansiyel bir katot malzemesi olabileceğini göstermiştir. Fe-PBA-23 örneğinin yapısal (SEM, XRD, XPS ve TGA) ve elektrokimyasal karakterizasyonlarla yüksek kapasiteye ve nispeten uzun döngü ömrüne sahip olduğu kanıtlanmıştır. Mikro boyuttaki düzgün kübik/prizmatik yapılar ve yüksek kristalinite değeri veren XRD sonuçları, yapının minimum kristal kusurlarla şekillendiğini göstermiştir. TGA sonuçları Fe-PBA-23'ün düşük kristal su (%10.554) miktarına sahip olduğunu göstermiş ve malzemenin uzun döngü ömrü ve kararlılığını işaret etmiştir. Elektrokimyasal performans açısından Fe-PBA-23, ~143 mAh.g-1 başlangıç kapasitesine sahip olup sonraki döngülerde ~139 mAh.g-1 kapasiteye düşmüş ve 20.0 C gibi yüksek akım yoğunluklarından sonra tekrar 0.2 C akım yoğunluğunda ~131 mAh.g-1 kapasite göstererek stabil ve kararlı bir yapı sergilemiştir.
MnFe-13-PBA-23 ve Fe-PBA-23/N-GN örneklerinin incelenmesi, katkılama ve karbon kompozit üretiminin PBA morfolojisi ve performansı üzerindeki önemli etkilerini ortaya koymuştur. MnFe-13-PBA-23 örneğinin kristal yapısındaki defektlerin, sentez süresi ve koşullarında yapılan değişikliklere duyarlı olduğu ve istenilen spesifik kapasite değerlerine ulaşılamadığı belirlenmiştir. Fe-PBA-23/N-GN örneğinde ise iletken grafen katkısı sayesinde sentez esnasında kontrollü kristal oluşumu gözlenmiş olup, bu örneğin elektrokimyasal olarak yüksek performans ve uzun vadeli dayanım gösterdiği tespit edilmiştir. Fe-PBA-23/N-GN örneği, 1.0 C'lik akım yoğunluğunda ilk döngüde ~112 mAh.g-1 kapasiteye ulaşmış ve 500. döngüde ~66 mAh.g-1 kapasite değeri sergileyerek uzun vadeli performansını kanıtlamıştır.
Sonuç olarak, bu çalışmada elde edilen bulgular, farklı katkı maddeleri ve sentez koşullarının optimize edilmesi ile katot malzemelerinin batarya performanslarının artırılabileceğini göstermektedir. Ayrıca grafen ve diğer karbon bazlı katkı malzemeleri ile kombinasyon, batarya performansının daha da iyileştirilmesine ve geniş uygulama alanlarına uyarlanmasına olanak tanımaktadır. Bu bağlamda, çalışma enerji depolama teknolojilerinde yeni stratejiler geliştirilmesine katkı sağlayacak önemli bir adım olarak değerlendirilmektedir.

Abstract:
The increasing global demand for energy can be met by renewable energy technologies without causing harm to the environment. In this context, electrochemical energy storage systems play an important role in ensuring uninterrupted energy supply. Among these systems, sodium-ion batteries (SIB) stand out as an economical and sustainable alternative to lithium-ion batteries (LIB). In this thesis, Prussian Blue Analogs (PBA), which can be used as cathodes in SIBs, have been successfully synthesized by a scalable precipitation method suitable for industrial production. By optimizing the production parameters in the synthesis of iron-based PBA, manganese doped iron-based PBA and iron-based PBA containing nitrogen doped graphene (N-GN) were produced under optimum conditions and characterized by various physicochemical and electrochemical analyses.
In accordance with the findings obtained during the synthesis and characterization stages, Fe-PBA-23 was found to exhibit high crystallinity and a low crystalline water content, which can be attributed to the optimized synthesis conditions. The electrochemical analysis results indicated that Fe-PBA-23 has the potential to serve as a cathode material for sodium ion batteries. The Fe-PBA-23 sample was demonstrated to exhibit high capacity and a relatively long cycle life through structural (SEM, XRD, XPS, and TGA) and electrochemical characterization. The micro-sized uniform cubic/prismatic structures and XRD results with high crystallinity values indicated that the structure was formed with minimal crystal defects. The TGA results indicated that Fe-PBA-23 has a low amount of crystalline water (10.554%), which suggests that the material has a long cycle life and stability. In terms of electrochemical performance, Fe-PBA-23 has an initial capacity of ~143 mAh.g-1, which decreased to ~139 mAh.g-1 in the following cycles. Furthermore, after high current densities such as 20.0 C, it exhibited a stable and stable structure. The capacity of the material was found to be approximately 131 mAh.g-1 at a current density of 0.2 C.
The investigation of MnFe-13-PBA-23 and Fe-PBA-23/N-GN samples revealed the significant effects of doping and carbon composite fabrication on PBA morphology and performance. It was observed that defects in the crystal structure of the MnFe-13-PBA-23 sample were sensitive to changes in synthesis time and conditions, and that the desired specific capacity values were not achieved. In contrast, the Fe-PBA-23/N-GN sample demonstrated controlled crystal formation during synthesis, which was attributed to the conductive graphene doping. This sample exhibited high electrochemical performance and long-term durability. The Fe-PBA-23/N-GN sample exhibited a specific capacity of approximately 112 mAh.g-1 in the initial cycle at a current density of 1.0 C and demonstrated its long-term performance by maintaining a capacity value of approximately 66 mAh.g-1 throughout the 500th cycle.
In conclusion, the findings of this study demonstrate that the performance of cathode materials can be enhanced by optimizing additives and synthesis conditions. Furthermore, the combination of graphene and other carbon-based additives allows for further improvement in battery performance and adaptation to a wide range of applications. In this context, the study is regarded as an important step that will contribute to the development of new strategies in energy storage technologies.