Development of cathode materials for aqueous electrolyte battery systems

Abstract

Dünya genelinde artan enerji ihtiyacını karşılamak ve karbondioksit salınımını engellemek amacıyla yenilenebilir enerji üretim sistemlerine (rüzgâr, güneş) olan talep hızla artmaktadır. Fakat bu sistemlerden üretilen enerji hava durumuna göre değişiklik göstermektedir. Bu nedenle üretilen enerjinin depolanması için yüksek boyutlu enerji depolama sistemleri gereklidir. Li-ion bataryalar ihtiyacı karşılayabilecek potansiyelde olmasına rağmen artan lityum fiyatları ve kullanılan yanıcı organik elektrolitlerden kaynaklanan güvenlik sorunları yüksek boyutlarda üretimin önüne geçmektedir. Bu tezde bu sorunu aşmak amacı ile çevreye duyarlı, daha güvenli ve ucuz olan sulu elektrolit batarya sistemlerinin geliştirilmesi amaçlanmıştır. Katot malzemesi olarak yüksek kapasite ve enerji yoğunluğuna sahip olan NaFePO4 kullanılmıştır. Bu malzemenin kimyasal olarak sentezlenemediği için öncelikle LiFePO4 hidrotermal yöntemle sentezlenmiş ve daha sonra bu malzemeden elektrokimyasal olarak lityumun yapıdan çıkartılıp yerine sodyumun yapıya girmesiyle NaFePO4 katot malzemesi sentezlenmiş ve sulu elektrolit ortamında çalışma voltaj aralığı ve elektrokimyasal özellikleri incelenmiştir. Anot malzemesi olarak ise ucuz fiyatı ve yüksek kapasitesi nedeniyle sülfür kullanılmıştır. Sulu elektrolit ortamında yapılan tam hücre deneylerinde 100 çevrimin sonunda 0.7V tam hücre potansiyeli ile 40 mAh/g kapasite değerleri elde edilmiştir.

Demand for the renewable energy has been growing rapidly. Numereous numbers of new wind and solar installations are used over the past few years in order to meet the energy need and reduce global warming emissions. Main issue with those systems is their dependence on weather conditions. Therefore, produced energy must be stored which requires large scale energy storage systems. Although Li-ion batteries have potential to meet the demand, increasing cost of lithium due to the low resources as well as the use of flammable, toxic and expensive organic electrolytes prevent their manufacturing for large scale applications. In this thesis in order to overcome these issues, safe, low-cost and clean battery systems production is aimed with the aqueous electrolyte Na-ion battery systems. High energy density and high capacity NaFePO4 is used as cathode material. Since this material is not possible to synthesis by chemical methods, first of LiFePO4 was synthesized by hydrothermal method and then NaFePO4 was obtained by electrochemical displacement of Li-ions with Na-ions in sodium containing aqueous electrolyte. Afterwards working potential and electrochemical properties are determined. As anode material polysulfide is used due to the sulfur abundancy and its high capacity. Full cell experiments demonstrate a 0.7 V cell together with 40 mAh/g capacity almost no fading over 100 cycles.