Yakıt hücreleri ve pillerde kullanılan NiO ve LiCoO2 katot malzemelerinin sentezi, karakterizasyonu ve adsorpsiyon çalışmaları

Abstract

YAKIT HÜCRELERİ VE PİLLERDE KULLANILAN NiO VE LİC0O2 KATOT MALZEMELERİNİN SENTEZİ, KARAKTERİZASYONU VE ADSORPSİYON ÇALIŞMALARI (Yüksek Lisans Tezi) Emre ÖZÇELİK GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ Mayıs 2004 ÖZET Günümüz modern yaşam tarzının çeşitlendirdiği enerji ihtiyacı, özellikle küçük ve orta ölçekli uygulamalarda konvansiyonel enerji dönüştürücülerden daha yüksek verimle çalışan piller ile yakıt hücrelerinin geliştirilmesini gündeme getirmiştir. Kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine çeviren; özellikle küçük ölçekli sistemlerde ve ulaşım araçlarında kullanılan pillerden biri olan lityum-iyon pilleri ile fosil yakıtlara alternatif olan ve hidrojen enerjisini kullanan yakıt hücreleri son yıllarda oldukça önem kazanmıştır. Benzer elektrokimyasal çalışma prensiplerine sahip olan bu sistemlerin katot malzemelerinin geliştirilmesi üzerine yapılan çalışmaların yoğunlaştığı görülmüştür. Bu çalışmada lityum pillerinde kullanılan LİC0O2 katot malzemesi ile Erimiş Karbonatlı Yakıt Hücrelerinde (EKYH) kullanılan gözenekli NiO katot malzemesinin sentezi, karakterizasyonu ve NiO üzerinde adsorpsiyon çalışmaları yürütülmüştür. Sentez çalışmalarında önce ikincil pillerden Li-iyon pillerinin katot aktif maddelerinden biri olan LiCo02'nin sentezi sol-jel (sol-gel) yöntemiyle değişik sıcaklıklarda (300°C-1000°C) gerçekleştirilmiş ve en iyi kristal formuna 750°C'de ulaşıldığı belirlenmiştir. İkinci aşamada ise daha çok enerji santrallerinde uygulama alanı bulan EKYH'de kullanılan katot maddelerinden NiO bant-döküm (tape-casting) yöntemiyle sentezlenmiş ve karakteristikdeğerleri belirlenmiştir. Elde edilen malzemelerin SEM, TGA ve X-ışını kırınımı analizleri yapılmıştır. NiO için katı yoğunluğu 6,76 g cm`3, görünür yoğunluğu 3,76 g cm`3, gözenekliliği 0,44 ve yüzey alanı 2,87 m2 g1 olarak belirlenmiştir. Çalışmanın son bölümünde EKYH'nde kullanılan katot besleme gazlarının (C02, 02) NiO üzerinde adsorpsiyonu çalışılmıştın Dolgulu kolon üzerinde yürütülen adsorpsiyon çalışmalarında NiO üzerinde C02 ve 02'nin denge adsorpsiyon katsayıları etki-tepki (pulse-response) dinamik yöntemi ile belirlenmiştir. Karbondioksit adsorpsiyon deneyleri 50-700°C sıcaklık aralığında farklı taşıyıcı gaz (He) hızlarında, yürütülmüş ve adsorpsiyon denge sabiti, (KC02) 0,070-0,009 cm3C02 g'1NiO, adsorpsiyon ısısı ise -1642 cal mol'1 olarak bulunmuştur. Benzer olarak 02 için de 50, 650°C sıcaklıklarında çalışılmış ve adsorpsiyon denge sabiti, (K02) 0,005-0,569 cm302 g`1NiO olarak belirlenmiştir. Bilim Kodu : 948 Anahtar Kelimeler : Lityum piller, Erimiş karbonatlı yakıt hücresi, Katot, LİC0O2, NiO, Adsorpsiyon, C02, 02 Sayfa Adedi : 125 Tez Yöneticisi : Yrd. Doç. Dr. Göksel ÖZKAN

Ill SYNTHESIS, CHARACTERIZATION OF NIO AND LiCo02 CATHODE MATERIAL FOR FUEL CELLS AND LITHIUM BATTERIES AND ADSORPTION STUDIES (M. Sc. Thesis) Emre ÖZÇELİK GAZI UNIVERSITY INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY May 2004 ABSTRACT Energy demand from different sources is a consequently of modern life style. This demand force us to develop the fuel cells work with the batteries which are more productive than conventional energy changer of the limited scale applications. Lithium-ion batteries used to change the chemical energy in to electricity in small systems and vehicles and fuel cells supports hydrogen energy as alternative for the traditional energy sources, has started to become more important. Studies are condensed on these systems consist of the common electrochemical working principles. In this study LİC0O2 cathode material for the lithium battery and NiO cathode material which is used for Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) are synthesized, and characterized. Moreover adsorption experiments on NiO are done. It is tried to find the temperature for the best crystal form of LiCo02 in synthesis studies. Sol-gel technique is used to obtain the LİC0O2 an cathode active material of the Li-ion batteries. Temperatures from 300°C to 1000°C are searched and 750°C is decided to give the best crystal form. Cathode material NiO generally used in MCFC at energy plants, is produced by tape-casting method and characterized at the second stage. SEM, TGA and X-ray analysis of the obtained materials are done. Solid density, appearent density, porosity and surface area are found for NiO as 6.76IV g cm`3, 3.76 g cm`3, 0.44 and 2.87 m2 g`1 exactly. The adsorption of cathode feed gases (C02, 02) on NiO are studied as final stage. Studies are done in packed bed and equilibrium adsorption coefficient are found with pulse-response dynamic method. Adsorption experiment of C02 are done between 50-700°C, and at different carrier gas (He) velocities. Adsorption equilibrium constant (KCo2) and heat of adsorption are obtained as 0.070-0.009 cm3C02 g'1 NiO, and -1642 cal mol 1. On the other hand between 50, 650°C studies repeated for 02 and adsorption equilibrium constant, K02, is found as 0.005, 0.569 cm3 02 g`1 NiO. Science Code : 948 Key Words : Lithium batteries, Molten carbonate fuel cell, Cathode, LiCo02, NiO, Adsorption, C02, 02 Page Number : 125 Adviser : Asst. Prof. Göksel ÖZKAN