Elektrik enerjisi depolama sistemi olarak tüm krom ve demir-krom redoks akış bataryaları için elektrolit ve elektrot geliştirilmesi

Redoks akış bataryaları (RAB), diğer enerji depolama teknolojilerinden farklı olarak sağladığı güç ve enerji değerlerinin birbirinden bağımsız olarak esneklikle tasarlanabilir olmasından dolayı büyük ölçekli enerji depolama uygulamaları için oldukça ilgi çekicidir. Bu teknoloji özellikle güneş ve rüzgâr gibi yenilenebilir enerji kaynaklarının sürekliliğini sağlama ve güç tüketim dengesi ve arzı için alternatif çözümler sunmaktadır. Avantajlarına ve büyük ölçekli enerji depolama uygulamalarında diğer enerji depolama teknolojilerine göre maliyet etkinliğine rağmen sahip oldukları düşük enerji ve güç yoğunluğu değerleri ve sistemi oluşturan başta elektrolit olmak üzere sistem komponentlerinin maliyeti, RAB teknolojisinin ticarileşmesi önünde ciddi bir problem olarak öne çıkmaktadır. Bu tez çalışması ile, rezerv açısından Türkiye'de bol bulunan ve maliyeti alternatiflerine oranla oldukça düşük olan krom ve demir redoks çiftlerinin kullanıldığı RAB sistemleri (Tüm Krom veya Demir-Krom)'nin, ticari muadillerine göre performanslarının belirlenmesi ve iyileştirilmesini amaçlamaktadır. Bu hedef doğrultusunda tüm krom ve demir krom RAB sistemi için anolit ve katolit çözeltilerinde redoks çifti kaynağı olarak, Cr2(SO4)3, CrK(SO4)2.12H2O, (NH4)2SO4.Cr2(SO4)3, (CH3COO)3Cr, Cr(III)Cl3.6H2O, FeCl2, Fe(CH3SO3) bileşikleri, elektrot olarak 3 farklı karbon bazlı elektrot (Spektroskopik grafit (SpGr), ticari grafit elektrot (StGr) ve camsı karbon disk elektrot) ile çeşitli metal (Ti, Pd, Au, RuIr kaplı Ti, Ag, Pt) elektrotlar kullanılmıştır. Redoks çiftlerinin, gerilim, akım yoğunluğu ve yükseltgenme/indirgenme karakteristiklerinin belirlenmesi amacıyla Dönüşümlü Voltametri ve Elektrokimyasal Empedans Spektroskopisi (EIS) yöntemleri kullanılmıştır. Katalizör kaplamalarının karakterizasyonu için XRD ve SEM-EDX teknikleri kullanılmıştır. Araştırma süresince, 3 elektrotlu elektrokimyasal hücrede elektrokimyasal ve Spektroskopik verilerin elde edilmesi, ardından ara bir düzenek olan cam hücrede şarj deşarj verilerinin elde edilerek gerilim ve akım yoğunluğu aralıklarının belirlenmesi ve son olarak PE Tek Hücre RAB prototipinde sistemin şarj deşarj edilerek reel performansının simüle edilmesi yolu izlenmiştir. İlk deney düzeneğinde tüm krom RAB sisteminin kinetik sınırlamalar sonucu ticarileşmeye halen uzak olduğu belirlenmiş, tezin odak noktası olarak Demir-Krom (Fe-Cr) RAB sistemi seçilmiştir. CH3SO3H, HClO4, H2SO4, CH3COOH ve HCl asit elektrolitleri içinde karbon bazlı elektrotlar kullanılarak yapılan çalışmalar yapılmıştır. SpGr elektrotu, Cr indirgenme yükseltgenme akım yoğunluğu olarak öne çıkmış asit elektrolit olarak da HCl dışında diğer asit elektrolitlerin uygun olmadığı görülmüştür. Cam hücre düzeneğinde SpGr ve Cr(III)Cl3.6H2O ile HCl çözeltilerinde muhtemel katalizörlerin etkinliği incelenmiş, Ag katalizörün akım yoğunluğunu arttırdığı görülmüş ancak ticari RAB sistemlerinin karakteristiği olan şarj deşarj gerilim platoları gözlemlenmemiştir. Ticari muadillerini simüle edebilecek PP Tek Hücre dizaynı ile tipik RAB şarj deşarj verileri elde edilmeye başlamış ve yine ticari muadillerinin sahip olduğu enerji yoğunluklarında ancak çok daha ucuz elektrolite sahip bir prototip verisi elde edilmiştir. Elde edilen sonuçlar EIS yöntemi ile de teyit edilmiştir. Bu sonuçlar, rezervce Türkiye'nin zengin olduğu madeni bileşikler kullanılarak, maliyet etkin ve tedariğinde problem yaşanmayacak hammaddenin kullanıldığı büyük enerji depolama teknolojilerinin uygulanabilirliği ve ticarileşmesi için umut vericidir.