Şarj edilebilir çinko-mangan bataryalarında mangan oksit elektrodun şarj-deşarj performansı üzerine elektrolit etkisinin incelenmesi
Investigation of electrolyte effect on charge-discharge performance of manganese oxide electrode in rechargeable zinc-manganese batteries
Yazar: ZÜLAL BEYZA DEMİRKAYA
Danışman: PROF. DR. KADİR PEKMEZ
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Bu çalışmada özellikle metal iyonları (Mn+; Li+, Na+, K+, Cs+, Be2+, Mg2+, Al3+) ve çinko- mangan doldurulabilir pillerdeki anot malzemesinden gelen Zn2+ iyonlarının MnO2'nin şarj deşarjı sırasındaki elektrokimyasal davranışına etkisi incelenmiştir. MnO2'nin şarj ve deşarjı sırasında katı elektrot yapısına metal iyonlarının giriş çıkışlarının iyonik boyutları ile ilişkili olduğu düşünülerek, bu bağlamda metal iyonlarının gaz fazında ve sulu çözelti fazındaki iyonik çapları göz önüne alınmıştır. Sulu ortam şarj edilebilir pil ve batarya üretiminde kullanılacak aktif malzemelerin sulu çözeltideki çözünürlükleri ve ileri aşamalarda temin edilmesindeki kısıtlamaların bertaraf edilebilmesi için yer kabuğundaki bulunma bollukları göz önüne alınmıştır. Şarj edilebilir çinko mangan bataryalarının temel katot malzemesi MnO2'dir ve MnO2'nin şarj edilebilirliği ortamın pH'sına, ortamda bulunan elektro aktif olan veya olmayan iyonların varlığına bağlı olduğu düşünülmüştür. Bu amaçla MnO2'nin elektrokimyasal ve şarj/deşarj davranışları farklı pH'larda ve yukarıda belirtilen farklı metal iyonlarının varlığında incelenmeye çalışılmıştır.
Bu tez çalışmasında Şarj edilebilir Çinko-Mangan Bataryalarında MnO2 elektrotun şarj-deşarj performansı üzerine farklı elektrolit bileşenlerinin etkisi başlıca elektrokimyasalteknikler kullanılarak araştırıldı. Bu amaçla MnSO4 sulu çözeltilerinde grafit elektrot üzerinde anodik bölgede elektrokimyasal olarak oluşturulan MnO2 (EMD) elektrot kaplamalarının şarj-deşarj özellikleri sabit akım şarj-deşarj testleri ile incelenmiştir. Mangan dioksit (MnO2) elektrot kaplamalarının (EMD) şarj-deşarj performansları Li2SO4, Na2SO4, K2SO4, CsSO4, BeSO4, MgSO4, Al2(SO4)3, ZnSO4, (NH4)2SO4 ve H2SO4 elektrolitleri içeren sulu çözeltilerde +1.3V ile -0.2 V arasında ölçülmüştür. MnO2'nin elektrokimyasal olarak biriktirilmesinde; sulu MnSO4 çözeltileri kullanılırken, Mn2+ çözeltilerinin elektrokimyasal davranışları; Na+, Mg2+, Al3+, Zn2+, NH4+ ve H3O+ iyonları içeren çözeltilerde incelenmiştir. Elektrokimyasal olarak hazırlanmış MnO2 (EMD) elektrot kaplamalarının yeni hazırlanmış ve şarj-deşarj sonrası yapısal değişimlerinin karakterizasyonu Elektrokimyasal Empedans Spektroskopisi (EIS), XRD ve SEM-EDX yöntemleri kullanılarak yapılmıştır.

Abstract:
In the study, the effects of metal ions (Mn+; Li+, Na+, K+, Cs+, Be2+, Mg2+, Al3+) and Zn2+ ions coming from the anode material in zinc-manganese rechargeable batteries on the electrochemical behavior of MnO2 during charge discharge were examined. Considering that the intercalation and deintercalation of metal ions into the solid electrode structure during charging and discharging of MnO2 is related to their ionic size, in this context, the ionic diameters of metal ions in the gas phase and aqueous solution phase were taken into consideration. The solubility of the active materials to be used in the production of aqueous rechargeable cells and batteries in aqueous solution and their abundance in the earth's crust were taken into consideration in order to eliminate the restrictions in their supply in advanced stages. The basic cathode material of rechargeable zinc manganese batteries is MnO2, and the rechargeability of MnO2 is thought to depend on the pH of the environment and the presence of electroactive or non-electoactive ions in the environment. For this purpose, the electrochemical and charge/discharge behaviors of MnO2 were examined at different pHs and in the presence of the different metal ions mentioned above.
In this thesis study, the effect of different electrolyte components on the charge-discharge performance of MnO2 electrode in rechargeable Zinc-Manganese Batteries was investigated using mainly electrochemical techniques. For this purpose, the charge- discharge properties of MnO2 (EMD) electrode coatings formed electrochemically in the anodic region on the graphite electrode in MnSO4 aqueous solutions were examined by constant current charge-discharge tests. Charge-discharge performances of manganese dioxide (MnO2) electrode coatings (EMD) was measured from +1.3 V to -0.2 V in aqueous solutions containing Li2SO4, Na2SO4, K2SO4, CsSO4, BeSO4, MgSO4, Al2(SO4)3, ZnSO4, (NH4)2SO4 and H2SO4 electrolytes. During electrochemical deposition of MnO2; electrochemical behavior of Mn2+ ions in aqueous solution is investigated while it was in solutions containing Na+, Mg2+, Al3+, Zn2+, NH4+ and H3O+ ions using aqueous MnSO4 solutions. Characterization of structural changes of pristine MnO2 (EMD) electrode and charged-discharged MnO2 electrode was carried out by using Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS), XRD and SEM-EDX methods.