Yenilikçi yaklaşımlarla enerji depolama sisteminin performans değerlerinin artırılması
Increasing the performance values of the energy storage system with innovative approaches
Yazar: BAYRAM DEVLET
Danışman: PROF. DR. ALİ KEÇEBAŞ
Muğla Sıtkı Koçman Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Bu doktora tez kapsamında, enerji depolama teknolojisini ilerletmek amacıyla lityum-iyon piller için yeni kompozitler ve suda çözünür yeni bağlayıcı malzemeleri geliştirilerek geleneksel muadilleriyle karşılaştırmalı çalışmalar yapılmıştır. Kompozitlerin ve bağlayıcı malzemelerin etkinliğini kapsamlı bir şekilde değerlendirmek için sentezlenen elektrotlar ve üretilen pil hücreleri çeşitli elektrokimyasal analiz ve malzeme karakterizasyon tekniklerine tabi tutulmuştur. Kompozit malzeme bazlı çalışmalarda, anot aktif malzemeleri olarak kullanıldığında yüksek kapasiteleri ile bilinen demir fosfat ve lityum demir fosfat'ın çeşitli yüzdelerinin grafit ile entegre edilerek elektrot kapasitelerinin artırılmasına odaklanılmıştır. Elektrokimyasal değerlendirmeler, grafit muadiliyle karşılaştırıldığında demir fosfat:grafit = %5:95 ve lityum demir fosfat:grafit = %6:94 kompozit elektrotlarının %95 Coulomb verimliliğiyle sırasıyla 435 mAh/g ve 437 mAh/g ile en yüksek başlangıç deşarj kapasitelerine sahip olduklarını göstermektedir. Suda çözünebilen yeni bağlayıcı malzemeler üzerine odaklanan çalışmada ise polivinil alkol, karboksimetil selüloz/stiren bütadien kauçuk ve polivinil asetat içeren elektrotlar üretilmiş ve geleneksel poliviniliden florür bağlayıcı içeren elektrotla karşılaştırılmıştır. Elektrokimyasal değerlendirmeler poliviniliden florürlü muadiliyle karşılaştırıldığında polivinil alkol bağlayıcı içeren elektrotun %91 Coulomb verimliliğiyle 412 mAh/g ile en yüksek başlangıç deşarj kapasitesine sahip olduğunu göstermektedir. Bu bulgular demir fosfat/grafit, lityum demir fosfat/grafit bazlı kompozitlerin ve polivinil alkol bazlı bağlayıcının lityum iyon pil performansını iyileştirmedeki potansiyellerini vurgulayarak ilgili malzemeleri gelecekteki enerji depolama çözümleri için yüksek kapasiteli seçenekler haline getirmektedir.

Abstract:
Within the scope of this doctoral thesis, new composites and new water-soluble binder materials for lithium-ion batteries have been developed and comparative studies have been conducted with their traditional counterparts in order to advance energy storage technology. To comprehensively evaluate the effectiveness of the composites and binder materials, the synthesized electrodes and fabricated battery cells have been subjected to various electrochemical analysis and material characterization techniques. In composite material based studies, it is focused on increasing electrode capacities by integrating various percentages of iron phosphate and lithium iron phosphate, which are known for their high capacities when used as anode active materials, with graphite. Electrochemical evaluations show that iron phosphate:graphite = 5:95 wt% and lithium iron phosphate:graphite = 6:94 wt% composite electrodes have the highest initial discharge capacities of 435 mAh/g and 437 mAh/g, respectively, with 95% Coulomb efficiency when compared to the graphite counterpart. In the study focusing on new water-soluble binder materials, electrodes containing polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose/styrene butadiene rubber and polyvinyl acetate have been manufactured and compared with the electrode containing traditional polyvinylidene fluoride binder. Electrochemical evaluations show that the electrode containing polyvinyl alcohol binder has the highest initial discharge capacity of 412 mAh/g with 91% Coulomb efficiency when compared to its polyvinylidene fluoride counterpart. These findings highlight the potential of iron phosphate/graphite, lithium iron phosphate/graphite based composites and polyvinyl alcohol based binder in improving lithium-ion battery performance, making the respective materials high-capacity options for future energy storage solutions.