Enerji depolamada yenilikçi karbon yapılı esnek yüzeylerin üretimi ve analizi

Abstract

Günümüzde enerji depolama teknolojileri; yenilenebilir enerji santrallerinin, elektrikli araçların yaygınlaşması ve taşınabilir elektronik teknolojilerinin gelişmesiyle birlikte giderek daha büyük önem kazanmaktadır. Enerji depolama sistemleri, güneş paneli ve rüzgâr türbini gibi yenilenebilir enerji kaynaklarından enerji üretiminde, enerji talebindeki artış sırasında elektrik arzının dengelenmesi ve enerji üretimindeki mevsimsel dalgalanmaları dengeleyerek güvenilir bir enerji tedariği sağlamaktadır. Enerji santrallerinde kullanılan pillerin diğer bir önemli kullanım alanı elektrikli araçlardır. Otomobillerde sürüş menzilinin arttırılması, hızlı şarj ve güvenli kullanım özellikleri çok önemli olup, bu özelliklerin geliştirilmesi pillerde kullanılan bileşenlerin iyileştirilmesine bağlıdır. Hem elektrikli otomobillerde hem de taşınabilir elektrikli aletlerde kullanılabilecek, yüksek performanslı pillerin geliştirilmesi için pek çok çalışma gerçekleştirilmektedir. Lityum iyon piller birçok enerji depolama sistemleri arasında, yüksek enerji yoğunluğuna sahip olmaları, uzun ömür, düşük kendiliğinden deşarj oranları ve hafif olmaları nedeniyle en yaygın kullanılan enerji depolama teknolojileridir. Lityum iyon piller, yaklaşık 150-350 Wh/kg gibi yüksek enerji yoğunluğu yanında çevrim ömürleri genellikle binlerce (3000-5000) şarj/deşarj çevrimdir ve hızlı şarj/deşarj yeteneklerine sahiptirler. Bu özellikler, lityum iyon pilleri endüstriyel ve kişisel kullanımlarda cazip bir seçenek haline getirmektedir. Giyilebilir elektroniklerin geliştirilmesi ile kullanılan bataryaların esnek, hafif, optimum konfor için insan vücuduna uyum sağlayan bataryalara ihtiyaç oluşturmaktadır. Ticari pillerde bileşenler esnek yapıda olmadığından kullanımı zorlaştırmaktadır. Bunun için geliştirilen iki yaklaşım; ya pil bileşenlerinin esnekliğini arttıracak tekstil esaslı (karbon nanolifler, karbon kumaşlar gibi) bileşenleri geliştirmek ya da pilleri tamamen esnek bir formda, yeterli enerji yoğunluk ve yoğun esnemeye dayanıklı filmler veya liflerden üretilmesi şeklindedir. Pillerde özellikle karbon nanoliflerin ve karbon kumaşların kullanımı, enerji depolama teknolojilerindeki yenilikçi ve etkili yaklaşımlardır. Özellikle karbon nanoliflerin ve karbon kumaşların kullanımı; uzun pil ömrü, yüksek enerji depolama kapasitesi ve esnek tasarım seçenekleri sunarak daha kullanışlı, dayanıklı ve verimli pil üretimine olanak sağlamaktadır. Karbon nanolifler, nanometre ölçeğindeki çapları, yüksek yüzey alanı, yüksek gözeneklilik, elektriksel iletkenlik gibi üstün özellikler sayesinde, pillerde kullanılmaya oldukça uygundur. Karbon nanolifler, lityum iyon pillerinde anot veya katotlarda taşıyıcı kullanılmadan tek başına elektrot olarak kullanılabilirler. Bu malzemeler, geleneksel toz malzemelerden elde edilen elektrotlara kıyasla daha esnek, hafif ve yüksek performans sunarlar, bu da giyilebilir cihazlar gibi esnek ve taşınabilir uygulamalar için idealdir. Pillerin kullanımının artması, kaynakların sınırlı olmasına bağlı olarak pillerde kullanılan bileşenlerin çevre dostu ve sürdürülebilir malzeme ve yöntemlerle üretilebilmesi de ayrıca önem arz eden bir konudur. Pillerde çevre dostu ve sürdürülebilir elektrot kullanımı, enerji depolama teknolojilerinin çevresel etkilerini azaltmak ve doğal kaynakların korunmasını desteklemek için çok önemlidir. Çevre dostu ve sürdürülebilir elektrotlar, çevresel etkileri azaltır ve enerji depolama teknolojilerinin daha sürdürülebilir hale gelmesine katkı sağlar. Bu yaklaşım, gelecek nesiller için temiz bir çevre ve sürdürülebilir enerji kaynakları sağlama hedefine ulaşmada önemli bir rol oynar. Karbon nanolif üretiminde yaygın kullanılan kullanılan poliakrilonitril gibi yüksek karbon içeriğine sahip maddelerin yerine, çevre dostu ve ekonomik alternatifler aranmaktadır. Bu ihtiyacı karşılamak için polivinil alkol (PVA) gibi su ile çözünebilen, çevre dostu ve maliyeti düşük bir polimer ön plana çıkmıştır. Ancak, PVA'nın uygun işlem koşulları sağlanmadığında karbon verimliliğinin düşük olduğu bilinmektedir. Bu durum, PVA esaslı karbon nanoliflerin kullanım alanını kısıtlar. Bunun iyileştirilmesi için çalışmalar gerçekleştirilmektedir. Karbon kumaşlar yüksek mukavemeti ve elektrik iletkenliği, hafifliği ve üstün termal özellikleri nedeniyle havacılık, otomotiv, spor ekipmanları ve yenilenebilir enerji gibi sektörlerin ayrılmaz bir parçasıdır. Çevresel kaygılar da göz önüne alındığında kompozitlerde yaygın kullanılan karbon kumaşların geri kazanımı, kaynak verimliliğine, sürdürülebilirliğe ve karbon ayak izinin azaltılmasına katkısı nedeniyle büyük önem taşımaktadır. Özellikle prepreg atıklar hem üretim sırasında hem de kompozit yapım aşamasında ciddi enerji ve hammadde kaybına neden olmaktadır. Giyilebilir elektroniklerde ve yapısal pillerde kullanılabilen karbon kumaşların, geri dönüştürülmüş karbon kumaşlardan üretilmesi bu çalışmada ilk kez uygulanmış olan oldukça yenilikçi bir yaklaşımdır. Lityum iyon pillerde kullanılabilecek esnek yapılı, yüksek kapasite elektrotların geliştirilmesi ve bunun çevresel etkileri azaltılarak sürdürülebilir bir formda yapılması amaçlanan çalışmamızda ilk olarak, poliakrilonitril nanoliflerinin elektro-üretim yöntemiyle üretimi ve pil performans analizi gerçekleştirilmiştir. Elde edilen nanolifler, pil performansını artırmak için silisyum nanopartikülleri ile modifiye edilmiştir. Farklı boyutlarda silisyum nanopartiküllerinin (30 nm, 50 nm, 70 nm) katkılandırılmasıyla pil performanslarının karşılaştırılması yapılmış ve 50 nm çapındaki silisyum nanopartiküllerinin daha yüksek performans sağladığı tespit edilmiştir. Aglomerasyon gibi nedenlerle 50 nm çapındaki silisyum nanopartiküllerinin daha etkili olduğu görülmüştür. Silisyum (Si) nanopartiküllerinin yapı içerisinde hacimsel genişleme sonrasında elektrot yapısına zarar vererek kapasite düşüşünü engellemek ve stabil hale getirmek için sandviç yapıda kullanılması, elektrotun döngüsel stabilitesini artırmak için önemli bir adım olarak belirlenmiştir. Bu amaçla, en altta ve en üstte karbon nanolif tabakalar arasına silisyum içeren karbon nanolif tabakalar sandviç benzeri bir formda üretilmiştir. PAN ve silisyum içeren karbon nanolif kompozitlerinin pil performansı değerlendirilmiş, nanolif tabakalarının arasına Si içeren kompozit karbon nanolifler eklenmesiyle yüksek hacimsel değişime bağlı kapasite kaybının önüne geçildiği tespit edilmiştir. Sandviç yapıdaki elektrotlar, farklı akım yoğunluklarında 709 mAh/g kapasite değerini korumuş ve %99,5'e varan kulombik verimlilik (coulombic efficiency) elde edilmiştir. Elde edilen yüksek kapasitenin yüksek çevrimlerde korunduğu ve daha stabil umut veren elektrot geliştirildiği tespit edilmiştir. İkinci olarak ise, çevreci ve ekonomik bir alternatif olan PVA esaslı nanoliflerin sentezi ve karakterizasyonu gerçekleştirilmiştir. PVA'nın kullanılmasıyla karbon nanoliflerin düşük karbon verimliliği sorunu ele alınmış ve uygun işlemlerle bu sorunun aşılabileceği belirtilmiştir. Bu kısıtlamaları aşmak için yapılan bu çalışmada, iyot buharında bekletme süresi (6 saat, 12 saat, 24 saat) ve sıcaklığının (60C, 80C, 100C) değiştirilmesiyle karbon verimliliğine ve pil performansına etkisi incelenmiştir. Bu yöntemle elde edilen PVA esaslı nanolifler, daha sonra farklı sıcaklıklarda (600C, 800C) karbonizasyon işlemine tabi tutulmuştur. Bu süreçte nanoliflerin morfolojisi ve fiziksel özellikleri detaylı bir şekilde karakterize edilmiştir. Ayrıca, elektriksel iletkenlik ölçümleri ile elektrokimyasal özellikleri incelenmiştir. Bu çalışmalar sonucunda, PVA esaslı karbon nanoliflerin yüksek karbon verimliliğine sahip, dayanıklı, esnek ve yüksek elektriksel iletkenlik özellikleri sergileyen elektrot olarak kullanılabileceği görülmüştür. Suda çözünebilir PVA esaslı karbon nanoliflerin üretimi ve iyodinasyon sıcaklıklarının pil performansına etkileri incelenmiştir. 60 °C iyodinasyon sıcaklığında daha yüksek performans ve çevrim stabilitesi elde edilmiştir. PVA esaslı nanoliflerin karbon verimliliğini arttırmak ve daha esnek bir yapı elde etmek amacıyla, karbon nanotüplerle katkılanması sağlanmıştır. Karbon nanotüplerin ilavesi, karbon nanolif (CNF) yüzeylerinin esnekliğini artırarak tek başına, serbest duran elektrotlar olarak kullanımını sağlamıştır. Ayrıca, karbon nanotüpler yüzeylerin elektrik iletkenliğini artırarak daha yüksek spesifik kapasite değerlerinin (672 mAh/g kapasite, 50 mA/g akım yoğunluğunda) elde edilmesini sağlamıştır. Suda çözünebilen PVA polimerinden elde edilen karbon nanolifler, geniş yüzey alanı, yüksek gözeneklilik ve küçük lif çapına sahip özellikleriyle lityum iyon pillerde doğrudan elektrot olarak olarak kullanılabilecek yapıda yüksek kapasiteli elektrot olarak başarılı bir şekilde üretilmiştir. Bu çalışma kapsamında gerçekleştirilen diğer bir çalışmada ise, karbon kumaşların pil elektrotları olarak kullanılması üzerine odaklanılmıştır. Yapısal pillerin ve esnek elektrotların önemi göz önüne alınarak, karbon kumaşların ve geri dönüştürülmüş karbon kumaşların lityum iyon pil performansı üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Ticari karbon kumaşların, asetonla yüzey kaplaması giderilerek elektrot formunda kesilip hazırlanmış ve lityum iyon pil performansı incelenmiştir. Sürdürülebilir geri dönüşüm malzemelerin pillerde kullanımına yönelik olarak kompozitlerde yaygın kullanılan prepreglerin (epoksi reçine ile kaplanmış karbon kumaş) üretim sırasında ve kompozit hazırlama sürecinde çıkan atıklarının termal ve kimyasal işlemler uygulanarak geri dönüştürülmesi gerçekleştirilmiştir. Termal işlemler sonucunda yapısal değişiklikler sayesinde dönüştürülmüş karbon kumaşların daha yüksek kapasite değerlerine ulaştığı gözlemlenmiştir. Geri dönüştürülmüş karbon prepreg atıklarından elde edilen elektrotlar 232 mAh/g (25 mA/g akım yoğunluğunda) spesifik kapasite vermektedir. Bu bulgular, kompozitlerde çevre kirliliğine neden olan atıkların geri dönüştürülerek pil elektrotu olarak kullanılabileceği ve çevresel etkilerin azaltılmasına önemli katkı sağlanmaktadır.