Vanadyum diborürün sentezi, hava pili uygulamalarında kullanılması ve karakterizasyonu

Abstract

Enerji depolama ve üretimi, elektrikli araç (EV) ve mobil cihazlar gibi uygulamalar için ciddi öneme sahip olan pil teknolojisinin geliştirilmesi üzerine uzun süredir çalışılmaktadır. Günümüzde 400 Wh kg-1 enerji yoğunluğu limitini zorlayan en son teknoloji Lityum-iyon pillerin teorik gerçek potansiyeli olan 600 Wh kg-1'a, önümüzdeki 5 yıl içerisinde ulaşılacağı öngörülmektedir; fakat 500-600 Wh kg-1'lık enerji kapasitesi bile EV'lar için tam olarak yeterli bir değer değildir. Üstelik çoğu araştırmacı, lityumun güvenliği ve toksikliği hakkında kaygı duymaktadırlar. Bu nedenle, son on yılda alternatif pil teknolojilerine yönelim için girilen arayış gittikçe daha önemli boyuta gelmiştir; çeşitli metal-hava pili teknolojileri de bu ihtiyaca cevap verme konusunda güçlü bir aday olarak göze çarpmaktadır. Zn-hava pilleri, 40 yıldan uzun bir zamandır ticari olarak işitme cihazlarında kullanılmaktadır. Diğer taraftan, Li-hava pili teknolojisinin geliştirilmesi üzerine yoğun bir çaba söz konusudur. Metal borürler, hava pillerinde kullanılmak için diğer bir potansiyel adaydır. Metal borürler içinde vanadyum diborür (VB2), 4060 mAh g-1'lık yüksek şarj kapasitesi ve 1.1 Volt değerinde bir deşarj platosu sunmasıyla borürler içerisinde dikkat çekmektedir. Bu çalışmada, VB2 nanotozu jel yöntemi ile sentezlenmiştir. Amonyum metavanadat (NH4VO3) ve borik asit (H3BO3) vanadyum ve bor kaynağı olarak kullanılmış, şelat yapı oluşturulmasında da sitrik asit (C6H8O7) ve tartarik asit (C4H6O6) şelatlaşma ajanları olarak görev yapmışlardır. Elde edilen malzeme, B2O3 ve ß-rombohedral fazında bor safsızlıkları içerme ihtimali olan en az %98 saflıkta VB2'dür. Boro/karbotermal sentezindeki termodinamiksel yaklaşımla beraber şelatlaşma mekanizmaları arzu edilen stokiyometride VB2 elde etmek adına tanımlanmıştır. Son olarak, elde edilen anot malzemeden VB2-hava pili eldesinin adımları açıklanmış, elde edilen %56 Coulombic verimliliğin arttırılması ve şarj edilebilirlik mekanizması üzerine yorumlar yapılmıştır.

Battery technology, for which there is a serious need in various fields such as EV (electric vehicle), energy production, mobile devices, has long been studied. True potential of state-of-the-art Lithium-ion technology (600 Wh kg-1), offering a 400 Wh kg-1 energy density today, is estimated to be achieved within 5 years. However, even estimated 500-600 Wh kg-1 energy density barely provides a feasible operating range for EVs. On top of that, many researchers are concerned by safety and toxicity. As a result, seeking distinctive types of battery technology is of crucial interest especially in the current decade; metal-air battery technology is a strong candidate to fill this need. Zinc-air batteries have been commercially available mostly in hearing aid devices for more than 40 years. Concurrently, lithium-air technology is being intensely developed. Metal borides class is another potential player in the air battery league. Among metal borides, vanadium diboride (VB2) performs superior to others, combining a flat discharge potential at 1.1 V with an exceptional high theoretical charge density of 4060 mAh g-1. In this study, VB2 nanopowders are synthesized employing the gel method. The process is carried out using ammonium metavanadate (NH4VO3) and boric acid (H3BO3) as vanadium and boron sources respectively, and citric acid (C6H8O7) and tartaric acid (C4H6O6) as chelating agents. The resulting material is characterized to be at least 98% VB2 within the possibility of excessive amorphous B2O3 and ß-rhombohedral boron remaining. Thermodynamic considerations in regards to boro/carbothermal synthesis of VB2 and chelating mechanism throughout the major reaction steps are described. Finally, the routes to assemble a VB2-air battery using as-synthesized anode material are presented along with final remarks towards achieving VB2-air batteries with Coulombic efficiency up to 56% and rechargability.