Biyokütle tabanlı karbon eldesi ve yüksek performanslı lityum-sülfür bataryaları için ZnNi2S4/C katot tasarımı

Dünya nüfusunun hızla artmasıyla teknoloji gelişmiş ve enerjiye olan talep artış göstermiştir. Fosil yakıtların yeryüzünde hızlı tükenmesiyle birlikte, yüksek performanslı enerji depolama teknolojisine olan talep gittikçe artmaktadır. Enerji depolamada ticari olarak kullanılan Lityum-iyon pilleri büyük ölçüde geliştirilmiştir. Ancak bu pillerinin katot malzemesinin sınırlı kapasitesinden ileri gelen düşük enerji kapasitesine (150-200 Wh/kg) ve yüksek maliyete sahip olmasından dolayı modern taşınabilir elektronik aygıtların ve özellikle elektrikli araçların kullanım süreleri kısıtlanmakta ve maliyetleri yükselmektedir. Lityum-iyon pillerinin dezavantajlarını göz önüne aldığımız zaman alternatif olarak birçok enerji depolama aygıtı geliştirilmektedir. Bunlar arasında, teorik olarak yüksek enerji kapasiteli (2600 Wh/kg), düşük maliyetli ve toksik olmayan lityum-sülfür batarya teknolojisi yer almaktadır. Lityum-sülfür bataryaları mevcut enerji ve çevre sorunlarının çözülmesinde büyük bir potansiyele sahiptir. Ancak, sülfürün yalıtkan olması, çevirim esnasında oluşan polisülfür gibi yan ürünlerin anot ile katot arasında serbestçe dolaşması (PSS etkisi) ve çevirim boyunca sülfürün hacimce genişlemesinden (% 80) dolayı bataryanın enerji kapasitesi ve kararlılığı beklenenden çok düşük seviyelerde kalmaktadır. Bu sorunları bertaraf edebilmek için karbon temelli malzemeler, metal oksitler, iletken polimerler, metal sülfürler kullanılarak sülfür-katot tasarımları geliştirilmektedir. Bunların arasından, yüksek elektriksel iletkenliğine, geniş aktif yüzey alanına ve oluşan polisülfürlerin yapısında güçlü bir şekilde tutabilme yeteneğine sahip metal sülfürlerin lityum-sülfür bataryasının ticarileşmesinde en büyük potansiyele sahip olabileceği aktif karbonlar kullanılabilmektedir. Aktif karbonlar, değişken boyutlu yapısı, yüksek iletkenliği ve tokluğu, büyük gözenek hacmi, spesifik yüzey alanı ve düşük maliyetli olması nedeniyle tercih edilen bir maddedir. Aktif karbonlar organik atıklardan elde edilebilmektedir. En çok tercih edilenler arasında keten bitkisi yer almaktadır. Keten lignin içeriğinin yüksek olmasından kaynaklı gözenekli bir yapı oluşturmaktadır ve aktif karbon içeriği fazla bulunmaktadır. Yapılan literatür araştırmalarına baktığımız zaman sülfür-katot tasarımında genellikle ikili metal sülfürler (binary) kullanılmıştır. İkili metal sülfürlere kıyasla, daha yüksek elektriksel iletkenlik, aktif yüzey alanı ve katyon yoğunluğuna sahip üçlü metal sülfürler, lityum-sülfür bataryalarında sülfür-katot yapımında sadece birkaç çalışmanın yapıldığı görülmüştür. Buradan hareket ile Nikel-Sülfür ikili metal sülfür matrisine çinko (Zn+2) metal katyonları ayrı ayrı eklenerek ZnNi2S4 yapılı tiyospinel üçlü metal sülfür sentezlenmiştir. Bu tez çalışması ile biyokütle kullanılarak aktif karbonların elde edilmesi, ZnNi2S4'ün mikrodalga yöntemi ile sentezlenmesi ve yüksek performanslı lityum-sülfür bataryaları için AK/S/ZnNi2S4 karbon katot çalışılmıştır. Bu çalışma ile, S/ZnNi2S4 elektrotun 0,24 C'de kısa vadeli çevrim stabilitesi incelendi. 0.24 C akım yoğunluğundan sonraki ilk çevrim katot kapasitesi 617.18 mAhg–1 olarak ölçüldü. 50., 100. ve 200. çevrimlerde katot kapasiteleri sırasıyla 395.91, 343.22 ve 288.13 mAhg–1 olarak belirlendi. S/ZnNi2S4 elektrotunun kapasitesi 0,24 C akım yoğunluğunda ilk çevrimden 100. çevrime %44,38 oranında kapasitesini korurken, 100 ile 200'e ise %83,63 oranında kapasitesini korumuştur. AK/S/ZnNi2S4 elektrotun 0,24 C'de kısa vadeli çevrim stabilitesi test edildi. 0.24 C akım yoğunluğundan sonraki ilk çevrim katot kapasitesi 847.44 mAhg–1 olarak ölçüldü. 50., 100. ve 200. çevrimlerde katot kapasiteleri sırasıyla 404.36, 344.66 ve 307.49 mAhg–1 olarak belirlendi. AK/S/ZnNi2S4 elektrotunun kapasitesi 0,24 C akım yoğunluğunda ilk çevrimden 100. çevrime %59,3 oranında kapasitesini korurken, 100 ile 200 arasındaki çevrimde %89,2 kapasitesini korumuştur. Bu bulgular, aktif karbonun gözenekli yapısı ve yüksek elektriksel iletkenliği, çalışmada kapasite artışı sağladığını ortaya koymuştur.