Poli (Vinil alkol) esaslı polimer jel elektrolitlerin hazırlanması ve iyonik iletkenlik özelliklerinin incelenmesi

Abstract

Tez çalışması kapsamında poli(vinil alkol) (PVA) ve poli(vinil alkol)/poly(2-hidroksietil metakrilat) (PVA/PHEMA) polimer jel elektrolitleri hazırlanmıştır. Polimer jel elektrolit (PJE)'lerin hazırlanmasında 1-metil-2-pirolidon (NMP) ve γ-butirolakton (GBL) organik çözücüleri kullanılmıştır. NMP:GBL oranı hacimce 7:3 NMP:GBL olarak seçilmiştir. Potasyum iyodür/iyot (KI/I2) redoks çifti NMP/GBL çözücü karışımında çözülmüş ve sıvı elektrolitler hazırlanmıştır. Polimer jel elektrolitlerde KI/I2 mol oranı 10/1 olarak sabit tutulmuştur. Poli(vinil alkol) sıvı elektrolit çözeltilerine toplam ağırlığın yüzde üçü kadar ilave edilmiştir. Jel elektrolitler 110ᵒC'de hazırlanmış ve oda sıcaklığında akmaz halde elde edilmiştir. PVA esaslı PJE'lerde alkali metal iyodür tuzunun (KI) konsantrasyonunun etkisi 0.2-1 mol/L aralığında iyonik iletkenlik (σ) açısından incelenmiş ve 0.8 mol/L KI en uygun değer olarak belirlenmiştir.PVA/PHEMA esaslı jel elektrolitlerini hazırlamak için öncelikle PVA/PHEMA film halinde elde edilmiştir. 2-hidroksietil metakrilat (HEMA) monomeri başlatıcı olarak amonyum persülfat (APS) kullanılarak deiyonize su içinde çözündürülmüştür. Azot ortamında bulunan HEMA + su + APS karışımına daha önce hazırlanan PVA + su karışımı eklenmiş ve polimerizasyon sıcaklık kontrollü su banyosunda 70 oC'de 24 saat süre ile gerçekleştirilmiştir. Elde edilen polimer karışımı petri kabında ortam şartlarında kurutularak PVA/PHEMA film yapılarına ulaşılmıştır. PVA/PHEMA sıvı elektrolit çözeltilerine toplam ağırlığın yüzde üçü kadar ilave edilmiştir. PVA/PHEMA esaslı jel elektrolitler 110 oC'de hazırlanmış ve oda sıcaklığında akmaz durumda olduğu gözlemlenmiştir. İyonik iletkenliğin sıcaklık değişimi 20-70 °C arasında incelenmiş ve PVA ve PVA/PHEMA polimer jel elektrolitlere ait iletkenlik mekanizması belirlenmiştir. Hazırlanan tüm jel elektrolitlerin iyonik iletkenlik-sıcaklık davranışı Arrhenius Denklemi ile uyumludur. Tüm jel elektrolitlerde sıcaklık artışı ile iyonik iletkenlik değerleri artmıştır. Ayrıca, PVA ve PVA/PHEMA esaslı polimer jel elektrolitlere nano katkı etkisi incelenmiştir. Grafit ya da TiO2'nin PVA ve PVA/PHEMA esaslı jel elektrolit yapı içinde kolaylıkla dağıtılmış ve homojen jel elektrolitler elde edilmiştir. Grafit ve TiO2 farklı oranlarda kullanılarak iyonik iletkenliğin sıcaklığa bağlı değişimi incelenmiştir. Nano katkı içeren jel elektrolitlerin iyonik iletkenlik-sıcaklık davranışı Arrhenius Denklemi ile uyumludur. Tüm jel elektrolitlerde sıcaklık artışı ile iyonik iletkenlik değerleri artmıştır. PVA ve PVA/PHEMA esaslı jel elektrolitler ve nano katkı içeren jel elektrolitler iyonik iletkenlik ve aktivasyon enerjisi açısından karşılaştırıldıklarında benzer davranış göstermişlerdir. Jel elektrolitlerde nano katkı varlığının viskozite üzerinde çok etkili olmamasına atfedilebilir. Bununla birlikte, jel elektrolit yapı içerisinde nano katkı bulunmasının elektriksel özellikler açısından katkı sağlayacağı düşünülmektedir. Hazırlanan jel elektrolitlerin ve polimerlerin yapısal karakterizasyonunda Fourier transform infrared spektroskopisi (FTIR) ve X-ışını kırınımı analizi (XRD), termal karakterizasyonunda diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC) ve termal gravimetrik analiz (TGA) yöntemleri kullanılmıştır.

In this thesis study, poly (vinyl alcohol) (PVA) and poly (vinyl alcohol)/poly (2-hydroxyethyl methacrylate (PVA/PHEMA) based polymer gel electrolytes were prepared. N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) and γ-butyrolactone (GBL) were used as organic solvents during polymer gel electrolyte preparation. Volume ratio of the NMP:GBL was preferred as 7:3. Potassium iodide / Iodide (KI/I2) redox couple was dissolved in NMP/GBL solvent mixture and liquid gel electrolytes were prepared. Mol ratio of KI/I2 in polymer gel electrolytes was fixed as 10/1. Poly (vinyl alcohol) was added to the liquid electrolyte solutions by three percent of the total weight. Gel electrolytes were prepared at 110ᵒC and non-flowing/immobile form obtained in room temperature. The effect of the concentration of alkali metal iodide salt (KI) on PVA-based PJEs was investigated in terms of ionic conductivity (σ) in the range of 0.2-1 mol / L and 0.8 mol / L KI was determined as the most appropriate value. In order to prepare PVA / PHEMA based gel electrolytes, PVA / PHEMA was obtained in film form. The 2-hydroxyethyl methacrylate (HEMA) monomer was dissolved in deionized water using ammonium persulfate (APS) as the initiator. A pre-prepared mixture of PVA + water was added to the mixture of HEMA + water + APS in the nitrogen environment and the polymerization was carried out in a temperature-controlled water bath at 70 oC for 24 hours. The resulting polymer mixture was dried in petri dish under ambient conditions and PVA / PHEMA film structures were obtained. PVA / PHEMA was added to liquid electrolyte solutions up to 3 percent of the total weight. PVA / PHEMA based gel electrolytes were prepared at 110 °C and non-flowing at room temperature. The ionic conductivity was investigated at 20-70°C and the conductivity mechanism of PVA and PVA / PHEMA polymer gel electrolytes was determined. The ionic conductivity-temperature behavior of all prepared gel electrolytes is consistent with the Arrhenius equation. In all the gel electrolytes, the temperature increase and the ionic conductivity values increased.In addition, the effect of nano-additives on PVA and PVA / PHEMA based polymer gel electrolytes was investigated. Graphite or TiO2 was easily dispersed in PVA and PVA/PHEMA gel electrolyte structure and homogeneous gel electrolytes were obtained. Temperature-dependent change in ionic conductivity was investigated by using graphite and TiO2 in different ratios. The ionic conductivity-temperature behavior of gel electrolytes with nano additive is consistent with the Arrhenius Equation. In all the gel electrolytes, the ionic conductivity values increased by the increase in temperature. PVA and PVA / PHEMA based gel electrolytes and gel electrolytes with nano additive have similar behavior regarding ionic conductivity and activation energy. The effect of presence of nano-additive in the gel electrolytes can be attributed to not very effective on viscosity. However, it is thought that the presence of nano additive in the gel electrolyte structure will contribute to the electrical properties.Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), X-ray diffraction analysis (XRD), thermal scanning calorimeter (DSC) and thermal gravimetric analysis (TGA) were used for the structural characterization of prepared gel electrolytes and polymers.