Theses supervised by Prof. Dr. Serdar Altın
12 theses · İnönü University
Büyük ölçekli sabit enerji depolama sistemleri için batarya teknolojilerinin araştırılması
Dünyadaki enerji kaynaklarının kısıtlı olması, üretim maliyetlerinin yüksekliği, ülkeleri dışa bağımlı ve pahalı enerji kullanmaya sevk etmektedir. Diğer yandan ise geleneksel enerji üretim yöntemleri çevreye verdiği zarar her geçen gün artmaktadır. Konvansiyonel yakıtların kullanılması, sera gazı salınımını artırmakta ve buna bağlı olarak küresel ısınma gibi bütün dünyayı etkileyebilecek önemli sorunlar ortaya çıkmaktadır. Teknolojinin gelişmesi, nüfusun artması enerjiye olan ihtiyacı da artırmaktadır. Bu problemlerin çözümlerinden biri olan enerji depolama sistemlerinin önemi de giderek artmaktadır. Bu çalışmada enerji depolama sistemleri ve bataryalar hakkında genel bilgiler anlatılarak, büyük ölçekli sabit enerji depolama sistemleri için batarya teknolojileri hakkında bilgiler verilmiştir. Ayrıca büyük ölçekli enerji sistemlerinin genel özellikleri anlatılarak çalışma prensipleri detaylandırılmıştır.
Sodyum iyon bataryalar için kobalt-manganez-demir oksit katotların üretimi ve batarya performansının incelenmesi
Bu tez çalışmasında Na0,67Mn0.5-xCoxFe0,43Ti0.07O2 bileşiğinini üretimleri gerçekleştirilmiş ve bu yapıya sırasıyla x=0.1, 0.2, 0.3, 0.4 ve 0.5 oranında Co elementi katkılanarak 2 gr'lık katot toz malzemeleri geleneksel katı-hal reaksiyon yöntemine göre üretilmiştir. Üretilen örnekleri yapısal analizleri sırasıyla X-ışını kırınımı (XRD), Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopisi (FTIR), Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ve Enerji Dağılımı X-Işını (EDX) analizleri gerçekleştirilmiştir. Hazırlanan malzemelere Na-iyon bataryalarda katot aktif malzemelerinin üretiminde kullanılmış ve buton tipi CR2032 hücreler kullanılarak batarya özellikleri incelenmiştir. Üretilen bataryala hücreleri ile elektrokimyasal analizler gerçekleştirerek bataryaların performansları araştırılmıştır. Tez çalışması kapsamında Na metali kullanılarak yarım hücre testleri için Döngüsel Voltametri (CV), Empedans Spektroskopisi (EİS), çevrim performans ölçümleri ve Şarj/Deşarj oranı (C-Rate) ölçümleri alınmıştır. Elde edilen batarya test sonuçları değerlendirildiğinde Co katkılanması ile birlikte elettrokimyasal özelliklerin ciddi bir şekilde değiştiği ve kapasitenin azaldığı bulunmuştur.
Na0.67(Mn0.5Fe0.5)1-xCuxO2 (x=0, 0.05, 0.1, 0.2, 0.3) katot malzemelerinin üretimi ve elektrokimyasal özelliklerinin belirlenmesi
Bu tez çalışmasında Na0.67Mn0.5Fe0.5O2 sodyum iyon pillerde katot malzemesi içerisinde Bakır (Cu) katkılaması yapılarak konstrasyonunda fiziksel özellikleri ,elektrokimyasal özelliklleri ve pilin yapısı incelenmiştir. Sodyumun bol bulunması, sodyum iyon pil yapımında maliyetin düşmesine ve lityum ile benzer fiziki ve kimyasal bir yapıya sahiptir. Na0.67Mn0.5Fe0.5O2 katot malzemesine Bakır (Cu) katkılaması yapılarak Na0.67Mn0.5Fe0.5O2, Na0.67Mn0.45Fe0.45O2, Na0.67Mn0.4Fe0.4O2, Na0.67Mn0.3Fe0.3O2, Na0.67Mn0.2Fe0.2O2 katot malzemesi yüksek sıcaklık ve sıvı azot içerisine atılarak elde edilmiştir. CR2032 jeton hücreler üretilmiş ve bu hücrelerde X-ışınları toz kırınımı (XRD),FTIR spektroskopisi, döngüsel voltametri (CV), kızılötesi termal ölçümler, taramalı elektron mikroskobu (SEM), ölçümleri ile karakterize edildi. Elde edilen katotlarda Na0.67Fe0.5Mn0.5O2, Na0.67Mn0.45Fe0.45O2, Na0.67Mn0.4Fe0.4O2, örneklerin katkısız ve bakır katkılamalarında herhangi bir safsızlık fazının oluşmadığı görülmüştür. Ancak Na0.67Mn0.3Fe0.3O2, Na0.67Mn0.2Fe0.2O2 ise x≥0.2 yapı içerisinde Na10Fe16O29 ve NaCuO safsızlık fazlarının oluştuğu görülmektedir. Na0.67Mn0.5Fe0.5O2 katot malzemesine Bakır (Cu ) katkılaması yapıldığında kapasite kayıplarının azalması bu tür katot malzemelerin ticarileşmesine bir adım daha yaklaştırmıştır.
Sodyum bazlı jeton pil üretimi ve performans analizlerinin incelenmesi
Si katkılı Na0.67Mn0.5Fe0.5O2 örnekleri başarılı bir şekilde üretildi ve yapısal özellikleri için x-ışını kırınımı (XRD), Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM), Fourier dönüşümü kızılötesi spektroskopisi (FTIR) ölçümleri yapılmıştır. XRD analizinde amorf bir yapı ve Si katkılamasıyla safsızlık pikleri gözlenmiştir. Ek olarak hücre parametreleri Si katkılamasıyla neredeyse hiç değişmemiştir. Si katkılı piller, katkısız pillerin CV'si ile benzer döngüsel voltametri (CV) grafikleri göstermiştir. Oda sıcaklığında sabit akım için şarj / deşarj döngüsü ölçümlerine göre, en az kapasite kaybı Na0.67Mn0.5Fe0.48Si0.02O2 örneğinde elde edilmiştir. Döngü ölçümleri de 50 ° C'de incelenmiş ve elektrokimyasal özelliklerin sıcaklıkla değiştiği görülmüştür. Anahtar Kelimeler: Na0.67Fe0.5Mn0.5O2, Si-modifikasyonu
Yeni nesil Na-iyonbatarya paketleme dizayni ve maliyet analizlerin incelenmesi
Lityum iyon bataryalar diğer bataryalara nazaran elektrikli araçlarda en yaygın kullanılan batarya türüdür. Lityumun dünya ölçeğinde rezervlerininaz olması maliyetinin yüksek olmasına ve lityum madenciliğinin çevreye olumsuz etkilerinden dolayı bilim insanları başka pil kimyalarına yönelmişlerdir. Bu kimyalardan öne çıkanlar sodyum temelli pillerdir. Sodyum pillerin karekteristik özellikleriyle ilgili bir çok araştırma yapılmıştır ancak sodyum bataryaların maliyetiyle ilgiliaraştırmalar bulunmamaktadır. Bataryalar elektrikli araçların toplam maliyetinin %25'ni oluşturduğundan lityumdan sodyuma geçişin batarya maliyetine etkisinin irdelendiği bu çalışmadaNaMn//HC, NaV//HC, NaNi//HC ve NaCo//HC sodyum pillerin maliyetleri"BatPaC" hesaplama yöntemi ile hesaplandı. Böylelikle piyasa şartlarına uygun pil tasarlanıp, gerçekçi bir maliyet hesab tahmini yapılabilir. Anahtar Kelimeler: lityum, sodyum, BatPaC, batarya.
Kurşun asit akü sistemlerinin li-iyon bataryalar ile dönüşümünün incelenmesi
Elektrik enerjisini depolamada kullanılan aküler, en önemli ve verimli yollardan biri olarak kabul edilir. Kurşun-asit aküler hem otomotiv hem de endüstriyel uygulamalarda enerji depolamak için kullanılmış ancak enerji depolama için kullanılan Li-ion, sodyum-kükürt aküleri gibi gelişen teknolojiler yerini almaya başlamıştır. Li-ion ve diğer pil türlerinin teknik özellikleri kurşun pillerle karşılaştırılmaktadır. Lityum-iyon pillerin otomobillere son zamanlarda uygulanması, elektrikli araçların tasarımında ve ticarileştirilmesinde önemli değişikliklere neden olmuştur. Ticari elektrikli araçlarda (EV'ler) son zamanlarda yeniden canlanma, lityum iyon pillerin yüksek enerji yoğunluğunun mümkün kıldığı elektrik menzilindeki önemli gelişmeler sayesinde mümkün olmuştur. EV pil geliştirmede, lityum iyon gravimetrik ve hacimsel enerji yoğunluklarının daha da iyileştirilmesi gerekmektedir. Bu çalışmada kurşun asit aküler ile Li-iyon bataryaların temel özellikleri incelenerek elektrikli araçlarda kullanılan Li-iyon batarya paketlerinin tasarım parametreleri ortaya çıkarılmıştır. Son olarak ise ülkemizde kurşun asit ve Li-iyon batarya tesisleri ile ilgili bilgiler incelenmiştir. Anahtar Kelimeler: Li-iyon, EV, PHEV, BEV
Cam-seramik ve katıhal reaksiyon yöntemleri ile LiFePO4 üretimi ve elektrokimyasal performanslarının araştırılması
Bu yüksek lisans tez çalışmasında elektriksel cihazlarda ve platformlarda kullanılmak üzere lityum bazlı kurşun katkılamalı katotlar üretilmiştir. Bu üretim için cam-seramik yöntemi kullanılmıştır. Öncelikli olarak saf LiFePO4 üretilmiş ve daha sonra kurşun (Pb) katkılı katot üretimleri yapılmıştır. Li1,4Fe1-xPbxPO4 formülü kullanılarak yapılan bu çalışmada, x değişkeni 0-0.03-0.06-0.09 ve 0.12 olarak belirlenmiştir. Sentezlenen katot malzemelerinde %99.9 saflık oranındaki Li₂O, Fe₂O₃, PbO ve P₂O₅ kimyasalları kullanılarak, asetonla bilyalı öğütücüde 450 rpm hızında 18 saat karışım yapılmıştır. Öğütülen tozlar alumina potalara koyularak 1200˚C 'de 2 saat, erime işlemi için elektrikli fırına koyulmuştur. Ani soğutma yapmak üzere fırından çıkarılan cam malzeme, sıvı nitrojen kullanılarak dondurulmuştur. Havanda asetonla beraber homojenize olarak toz haline getirilen malzeme %10 oranındaki glikoz ile öğütülmüştür. Hazırlanan numune, 5 dakikada 850˚C sıcaklığa çıkıp, 12 saat bekleyecek şekilde ısıl işleme tabi tutulmuştur. Bu ısıl işlem kuvars tüplü, %7 Ar/H₂ gazının bulunduğu bir fırında yapılmıştır. Yapılan çalışmanın güvenilirliği ve kıyaslanması açısından az uygulanmış bir cam-seramik yöntemine karşılık; sık kullanılan katı hal yöntemi ile farklı bir prosedür izlenerek aynı formül ve katkılama oranlarında üretim gerçekleştirilmiştir. Bu yöntemde yine %99.9 saflık oranındaki Li2CO3, FeC2O4.2H2O, NH4H2PO4, PbO ve C6H12O6 kullanılmıştır. Tüm malzemeler sitokiyometrik oranlarda 350 rpm hızında 5 saat asetonla bilyalı öğütücüde karıştırılıp etüvde kurutulmuştur. Ardından 10 saat 350˚ ısıl işleme tabi tutulup elde edilen malzeme, 500 rpm hızında 5 saat asetonla tekrar bilyalı öğütücüde öğütülmüştür. Elde edilen karışım son olarak 650˚, 12 saat ısıl işleme bırakılmıştır. İki prosedür için de ayrı ayrı; fiziksel karakterizasyon ve elektrokimyasal analizler yapılmıştır. Bu veriler sonucunda şarj edilebilen lityum pil üretilebilmiştir. Morfolojik yapıları incelendiğinde safsızlığın gözlemlenmediği ve kristalizasyonun gerçekleşip olivin yapının elde edildiği, Pb-Fe yer değişiminin gerçekleştiği gözlemlenmiştir. Elde edilen kapasiteler, akım ve voltaj değerleri grafiklerle değerlendirilmiştir. Katkılama ile kapasite değerinde artış gözlemlenip cam-seramik yönteminde en yüksek kapasite 80 mAh/g, katı hal yönteminde en yüksek kapasite 140 mAh/g olmuştur. Anahtar Kelimeler: lityum, batarya, enerji, LFP,cam-seramik, katıhal. Li-ion.
Mg ile modifiye edilmiş Na0.67(Mn0.5Fe0.5)1-xCoxO2 (x=0.05-0.3) katot malzemelerinin üretimi ve batarya performanslarının araştırılması
Bu tez çalışması kapsamında ilk olarak Na0.67(Mn0.5Fe0.5)1-xCoxO2 (x=0.05-0.3) katot malzemesine Co katkılanması yapılarak yapısal özelliklerindeki değişimler incelenmiştir. Daha sonra elektrokimyasal olarak aktif olmayan Mg katkılaması yapılarak sodyum iyonlarının hareketi sırasında kristal yapıdaki bozulmaya etkisi araştırılmıştır. Üretilen örneklerin yapısal incelemeleri ve performansları XRD, SEM, FTIR, Raman spektroskopisi analizleri ile gerçekleştirilmiştir. Yapı içerisinde Mg+2 katkılanması % 0.1- 0.3 -0.5 oranında gerçekleştirilmiştir. Üretilen katot Mg+2 katkılı ve katkısız Na0.67(Mn0.5Fe0.5)1-xCoxO2 numunelerinin X-ışını kırınım analizi (XRD), FTIR spektroskopisi, taramalı elektron mikroskopu (SEM) analizleri, Döngüsel voltmetri(CV) analizi, Galvanostatik çevrim performans (GCD) ölçümleri , Hız performans (C-rate) ölçümleri , Empedans spektroskopisi (EIS) ölçümleri, ile karakteristik ve yapısal özellikleri incelenmiştir. Elde edilen katot aktif malzemeleri kullanılarak, CR2032 düğme tipi bataryalar üretilmiştir. Üretilen CR2032 düğme tipi bataryaların elektrokimyasal, döngüsel voltametri (CV) , farklı akım yoğunluklarında batarya şarj/deşarj özellikleri ve EIS (Elektrokimyasal empedans spektroskopisi) ile performans analizleri yapılmıştır. Sonuç olarak düşük oranda Mg katkılanmasının pil performansını artırdığı bulunmuştur.
Dy katkılanmış Li-iyon pillerde pil performanslarının araştırılması
Bu tez çalışmasında, Co iyonları yerine Dy ile modifiye edilen tabakalı yapıdaki LiCoO2 katot malzemelerinin yapısal, manyetik ve elektrokimyasal özellikleri incelenmiştir. Çalışmalar boyunca LiCo1-xDyxO2 (x=0.01, 0.02, 0.03, 0.04, 0.05, 0.1, 0.5, 1) katı hal reaksiyon tekniği ile başarılı bir şekilde üretilmiştir. Örneklerin yapısal özellikleri XRD, FTIR, Raman ve XAS ölçümleri kullanılarak analiz edilmiştir. Örneklerin örgü parametreleri açık kaynak kodlu Fullprof programı ile hesaplanmış ve birim hücre hacminin yapıdaki Dy miktarının artışı ile arttığı hesaplanmıştır. Örneklerin bağ yapısı ve Raman aktif modları Dy katkılı örneklerde araştırılmıştır. Örneklerin Co K-kenarı spektrumları ölçülmüş ve XANES ve EXAFS verileri incelenmiştir. Açık kaynak kodlu Athena programı ile örneklerin lokal yapısı belirlenmiştir. Katot malzemesi olarak Dy ile modifiye edilmiş LiCoO2 kullanılarak hücrelerin elektrokimyasal özellikleri ve pil performansları Cr2032 buton piller kullanılarak incelenmiştir. Örneklerin CV grafiklerinde anodik ve katodik pikler vardır ve galvanostatik testler 100 döngüye kadar incelenmiştir. Aynı zamanda oda sıcaklığında C-oranı performansları ölçülmüştür. x=0.04 katkılı örneğin pil performansı saf pile göre daha iyi kapasite ve kapasite azalma oranı gösterdiği bulunmuştur. Bu sonuç ticari olarak ümit vadeden bir durumdur. Pillerdeki kapasite azalma oranı ex-situ olarak FTIR, Raman, XRD ve XAS ölçümleri ile incelenmiş ve Dy katkılamasının pil hücre performansını artırmasının yapısal kararlılık ile ilişkili olduğu bulunmuştur.
Na-iyon bataryalarda çekirdek - kabuk yapıların elektrokimyasal özelliklere etkisinin araştırılması
Bu tez çalışmasında, modern enerji depolama teknolojilerinde önemli yer tutan lityum-iyon (Li-iyon) ve sodyum-iyon (Na-iyon) bataryaların yapısal ve elektrokimyasal özellikleri araştırılmıştır. Li-iyon bataryalar yüksek enerji yoğunluğu ve uzun çevrim ömrüne sahip olsalar da sınırlı kaynaklar ve yüksek maliyet gibi sorunlar nedeniyle sürdürülebilir değildir. Bu noktada, sodyumun bol ve düşük maliyetli oluşu, Na-iyon bataryaları gelecek için umut verici kılmaktadır. Ancak Na⁺ iyonlarının büyük yarıçapı, uygun elektrot tasarımını gerekli kılmaktadır. Çalışmada katot malzemesi olarak Na₀.₆₇Mn₀.₅Fe₀.₄₂Ti₀.₀₈O₂ sentezlenmiş ve yüzeyi TiO₂ ile Al₂O₃ kaplanarak çekirdek–kabuk yapısı oluşturulmuştur. SEM, EDX, FTIR, Raman, XRD ve XPS analizleri kaplamaların homojen dağılımını ve yapısal bütünlüğü doğrulamıştır. Elektrokimyasal testler, TiO₂'nin iyon difüzyonunu artırdığını, Al₂O₃'ün ise yüzey stabilitesini güçlendirdiğini göstermiştir. Sonuç olarak, çekirdek–kabuk mimarisi Na-iyon bataryalarda kapasite korunumunu ve çevrim kararlılığını geliştiren etkili bir strateji olarak öne çıkmıştır.
Bilgisayarlarda yüksek performans ve dengeli mod seçimlerinde enerji tüketimlerinin incelemesi
Yapılan bu yüksek lisans tez çalışmasında kurumsal bir şirkette bulunan 12 farklı model bilgisayarda toplam sayısı 16.560 cihaza denk gelen çalışmada bilgisayarların güç yönetim ayar kısmında bulunan yüksek performans modu ve dengeli modda çalışırken tükettikleri güç miktarları wattmetre yardımıyla ölçülüp bu iki güç modu arasındaki güç tüketim farkları günlük, aylık ve yıllık olmak üzere tükettikleri güç ve şirkete maaliyeti hesaplanmıştır. Cihazlara ek olarak performans testi yapılmış olup cihazların birbirleriyle kıyaslanmaları sağlanmıştır. Cihazlar microsoft' un kullanıcı yönetim uygulaması olan SCCM ile query yardımıyla model bazlı olarak koleksiyonlara eklenmiş eklenen koleksiyonlarda tüm cihazları topluca istenilen moda ayarlanacağı gösterilmiştir. Böylece uygun mod seçilerek enerji tasarrufu sağlanmış olup ekonomik olarakta şirkete katkı sağlanacağı gözlemlenmiştir.
Sodyum iyon bataryalar için vanadyum katkılı katot malzemelerinin geliştirilmesi ve batarya performanslarının araştırılması
Bu tez çalışmasında Na0.67 Mn0.5-x Vx Fe0.43 M0.07 O2 (M=Al,Ti) (x: 0.1 , 0.2 , 0.3 , 0.4 , 0.5) katot malzemesine Vanadyum katkılaması yaparak modifiye edilmiş katıhal yöntemi ile sentezlenmiştir. XRD ( X-Işınları Difraksiyonu), SEM (Taramalı Elektron Mikroskobu), FTIR ( Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopisi), BET ( Yüzey Alanı ve Gözenek Boyutu) ve RAMAN gibi analizler yapılarak üretilen malzemenin karakteristik özellikleri incelenmiştir. Stokiyometrik oranlarla hazırlanan katot aktif malzemeleri kullanılarak CR2032 pil hücreleri üretilmiştir. Üretilen CR2032 düğme tipi pillerin elektrokimyasal yani CV (döngüsel voltimetri), EIS (elektrokimyasal empedans spektroskopisi) ve farklı akım oranları, farklı sıcaklık ortamlarında uygulayarak şarj/deşarj döngü özellikleri incelenip pil performans analizleri yapılmıştır. Düşük vanadyum katkılaması ile üretilen pil performansını artırdığı bulunmuştur.