Sodyum iyon pillerde katot olarak kullanılabilecek prusya mavisi analoglarının sentezlenmesi, karbon kompozitlerinin üretilmesi ve performanslarının elektrokimyasal ve In Silico olarak araştırılması

Dünya genelinde artan enerji talebinin doğaya ve çevreye zarar vermeksizin karşılanmasında yenilenebilir enerji teknolojileri, tek çözüm olarak öne çıkmaktadır. Bu bağlamda, enerji arzının kesintisiz sağlanabilmesi amacıyla elektrokimyasal enerji depolama sistemlerinin önemli bir rol üstlendiği belirtilmektedir. Bu sistemler arasında Na-iyon bataryalar (SIB) Li-iyon bataryalarına (LIB) kıyasla, ekonomik ve sürdürülebilir bir alternatif olarak dikkat çekmektedir. Bu tez çalışmasında, SIB'lerde katot olarak kullanılabilecek Prusya Mavisi Analogları (PBA), endüstriyel üretime uygun ve ölçeklenebilir çöktürme yöntemi ile başarıyla sentezlenmiştir. Demir bazlı PBA sentezinde üretim parametreleri optimize edilerek, optimum koşullarda Mangan katkılanmış Demir bazlı PBA ve azot katkılanmış grafen (N-GN) içeren Demir bazlı PBA üretilip çeşitli fizikokimyasal ve elektrokimyasal analizlerle karakterize edilmiştir. Sentez ve karakterizasyon aşamalarında elde edilen bulgular doğrultusunda, Fe-PBA-23 örneğinin optimize edilmiş sentez koşulları sayesinde yüksek kristaliniteye ve düşük kristal su miktarlarına sahip olduğu tespit edilmiştir. Elektrokimyasal analiz sonuçları, Fe-PBA-23 malzemesinin sodyum iyon bataryaları için potansiyel bir katot malzemesi olabileceğini göstermiştir. Fe-PBA-23 örneğinin yapısal (SEM, XRD, XPS ve TGA) ve elektrokimyasal karakterizasyonlarla yüksek kapasiteye ve nispeten uzun döngü ömrüne sahip olduğu kanıtlanmıştır. Mikro boyuttaki düzgün kübik/prizmatik yapılar ve yüksek kristalinite değeri veren XRD sonuçları, yapının minimum kristal kusurlarla şekillendiğini göstermiştir. TGA sonuçları Fe-PBA-23'ün düşük kristal su (%10.554) miktarına sahip olduğunu göstermiş ve malzemenin uzun döngü ömrü ve kararlılığını işaret etmiştir. Elektrokimyasal performans açısından Fe-PBA-23, ~143 mAh.g-1 başlangıç kapasitesine sahip olup sonraki döngülerde ~139 mAh.g-1 kapasiteye düşmüş ve 20.0 C gibi yüksek akım yoğunluklarından sonra tekrar 0.2 C akım yoğunluğunda ~131 mAh.g-1 kapasite göstererek stabil ve kararlı bir yapı sergilemiştir. MnFe-13-PBA-23 ve Fe-PBA-23/N-GN örneklerinin incelenmesi, katkılama ve karbon kompozit üretiminin PBA morfolojisi ve performansı üzerindeki önemli etkilerini ortaya koymuştur. MnFe-13-PBA-23 örneğinin kristal yapısındaki defektlerin, sentez süresi ve koşullarında yapılan değişikliklere duyarlı olduğu ve istenilen spesifik kapasite değerlerine ulaşılamadığı belirlenmiştir. Fe-PBA-23/N-GN örneğinde ise iletken grafen katkısı sayesinde sentez esnasında kontrollü kristal oluşumu gözlenmiş olup, bu örneğin elektrokimyasal olarak yüksek performans ve uzun vadeli dayanım gösterdiği tespit edilmiştir. Fe-PBA-23/N-GN örneği, 1.0 C'lik akım yoğunluğunda ilk döngüde ~112 mAh.g-1 kapasiteye ulaşmış ve 500. döngüde ~66 mAh.g-1 kapasite değeri sergileyerek uzun vadeli performansını kanıtlamıştır. Sonuç olarak, bu çalışmada elde edilen bulgular, farklı katkı maddeleri ve sentez koşullarının optimize edilmesi ile katot malzemelerinin batarya performanslarının artırılabileceğini göstermektedir. Ayrıca grafen ve diğer karbon bazlı katkı malzemeleri ile kombinasyon, batarya performansının daha da iyileştirilmesine ve geniş uygulama alanlarına uyarlanmasına olanak tanımaktadır. Bu bağlamda, çalışma enerji depolama teknolojilerinde yeni stratejiler geliştirilmesine katkı sağlayacak önemli bir adım olarak değerlendirilmektedir.