Enerji depolama uygulamaları için aerojel bazlı yenilikçi malzemeler

Yıl 2025, Cilt: 40 Sayı: 3 , 1967 - 1978 , 21.08.2025

Lütfullah Özdoğan , Mehmet Oğuz Güler

https://doi.org/10.17341/gazimmfd.1453995

https://izlik.org/JA96TX33PD

Öz

Bu çalışma, LiMn2O4 katot malzemesinin kapasitesini ve döngü performansını arttırmak için LiMn2O4/karbon aerojel hibrit kompozit yapıların oluşturulmasını araştırmaktadır. LiMn2O4 tozları sol-jel yöntemiyle sentezlenmiştir daha sonra karbon aerojel yapısına dahil edilmiştir. Elektrotlar geleneksel çamur hazırlama yöntemi kullanılarak hazırlandı ve X-ışını kırınımı, Raman spektroskopisi, alan emisyon taramalı elektron mikroskobu ve termal gravimetrik analiz dahil karakterizasyon analizleri yapılmıştır. Analiz sonuçları, LiMn2O4 tozunun karakteristik kırınım zirvelerini ve karbon aerojeldeki grafitin yansıma düzlemlerini ortaya çıkarmıştır. LiMn2O4/karbon aerojel nanokompozitinin Raman spektrumunda güçlü aktif bantlar gözlenmiştir. Elektron mikroskobu sonuçları, homojen olarak dağılmış LiMn2O4 parçacıkları içeren gözenekli bir yapı sergilemiştir. Elektrokimyasal karakterizasyonlar iki aşamalı, tersine çevrilebilir bir interkalasyon reaksiyonunu göstermiştir. Elektrotların döngüsel voltametri testleri, oksidasyon ve indirgeme zirvelerini ortaya çıkarmış ve döngü sayısındaki artış, elektrolitik ve yük transfer dirençlerinde gözlenen artışlara yol açmıştır. Elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) ölçümleri, döngü sayısıyla birlikte yük transfer direncindeki artışın Li+ difüzyonunu olumsuz etkilediğini göstermiştir. Lityum manganez oksit (LMO) elektrotlarının spesifik kapasiteleri, karbon aerojelli kompozitin daha yüksek kapasiteye sahip olduğunu gösterdi. Ancak LMO elektrotunda, karbon aerojelin lityum iyonlarının hareketi üzerindeki etkisine atfedilen daha büyük bir kapasite kaybı yaşanmıştır.

Anahtar Kelimeler

aerojel , katot malzemeler , hibrit malzemeler , lityum iyon bataryalar

Etik Beyan

Bu çalışmanın, özgün bir çalışma olduğunu; çalışmanın hazırlık, veri toplama, analiz ve bilgilerin sunumu olmak üzere tüm aşamalarından bilimsel etik ilke ve kurallarına uygun davrandığımı; bu çalışma kapsamında elde edilmeyen tüm veri ve bilgiler için kaynak gösterdiğimi ve bu kaynaklara kaynakçada yer verdiğimi; kullanılan verilerde herhangi bir değişiklik yapmadığımı, kabul ederek etik görev ve sorumluluklara riayet ettiğimi beyan ederim. Herhangi bir zamanda, çalışmayla ilgili yaptığım bu beyana aykırı bir durumun saptanması durumunda, ortaya çıkacak tüm ahlaki ve hukuki sonuçlara razı olduğumu bildiririm.

Destekleyen Kurum

Sakarya Üniversitesi

Teşekkür

Çalışmayı destekleyen Sakarya Üniversitesi Araştırma ve Geliştirme Merkezi (SARGEM)' e teşekkürlerimi sunarım

Kaynakça

• 1. Pan L., Xia Y., Qiu B., Zhao H., Guo H., Jia K., Gu Q., Liu Z. 2016. Synthesis and electrochemical performance of micro-sized Li-rich layered cathode material for Lithium-ion batteries. Electrochimica Acta, 507-514, 2016.
• 2. Peng, Z. S., Wan, C. R., Jiang, C. Y., Synthesis by Sol-Gel Process and Characterization of LiCoO2 Cathode Materials, J. Power Sources, 72 (2), 215-220, 1998.
• 3. Meyer C., Kosfelda M., Haselriedera W., Kwadea A., Process Modeling of The Electrode Calendering of Lithium-ion Batteries Regarding Variation of Cathode Active Materials and Mass Loadings, Journal of Energy Storage, 371-379, 2018.
• 4. Schreiner D., Oguntke M., Günther T., Reinhart G., Modelling of the Calendering Process of NMC-622 Cathodes in Battery Production Analyzing Machine/Material–Process–Structure Correlations, Energy Technology, 1-11, 2019.
• 5. Xu M., Wang X., Electrode Thickness Correlated Parameters Estimation for a Li-ion NMC Battery Electrochemical Model, ECS Transactions, 491-507, 2017.
• 6. Myung ST., Lee KS., Sun YK., Yashiro H., Development of high power lithium-ion batteries: layer Li[Ni0.4Mn0.4Co0.2]O2 and spinel Li[Li0.1Al0.05Mn1.85]O4. Journal Power Sources, 7039-7043, 2011.
• 7. Zhao G., Wang X., Negnevitsky M., Zhang H., A review of air-cooling battery thermal management systems for electric and hybrid electric vehicles, Journal of Power Sources, 501, 230001, 2021.
• 8. Xie Y., He X. J., Hu X. S., Li W., Zhang Y. J., Liu B., Sun Y. T., An improved resistance-based thermal model for a pouch lithium-ion battery considering heat generation of posts, Applied Thermal Engineering, 164, 114455, 2020. 9. Rosner H., Kitaigorodsky A., Pickett W.E., Prediction of High Tc Superconductivity in Hole-Doped LiBC, Phys. Rev. Lett., 88 (12), 127001, 2002.
• 10. Sato N., Thermal behavior analysis of lithium-ion batteries for electric and hybrid vehicles, J. Power Sorces, 99 (1-2), 70-77, 2001.
• 11. Balasundaram, M., M., Ramar, V., Yap, C., Li, L., Tay, A.A., Balaya, P., Heat loss distribution: Impedance and thermal loss analyses in LiFePO4/graphite 18650 electrochemical cell, J. Power Sources, 328, 413-421, 2016.
• 12. Morimoto, K., Nagashima, I., Matsui, M., Maki, H., Mizuhata, M., Improvement of electrochemical properties and oxidation/reduction behavior of cobalt in positive electrode of Ni-metal hydride battery, J. Power Sources, 388, 45-51, 2018.
• 13. Daud Z. H. C., Asus Z., Bakar S. A. A., Husain N. A., Mazali I. I., Chrenko D., Thermal characteristics of a lithium-ion battery used in a hybrid electric vehicle under various driving cycles, IET Electrical Systems in Transporation, 10 (3), 243-248, 2020.
• 14. Delattre, B., Amin, R., Sander, J., De Coninck, J., Tomsia, A. P., Chiang, Y. M., Impact of pore tortuosity on electrode kinetics in lithium battery electrodes: Study in directionally freeze-cast LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 (NCA), Journal of the Electrochemical Society, 165 (2), A388, 2018.
• 15. Xiong R., Li L., Tian J., Towards a smarter battery management system: A critical review on battery state of health monitoring methods, Journal of Power Sources, 405, 18-29, 2018.
• 16. Liu, S., Zhang, H., and Xu, X., A study on the transient heat generation rate of lithium-ion battery based on full matrix orthogonal experimental design with mixed levels, Journal of Energy Storage, 36, 102446, 2021.
• 17. Wu, W., Wang, S., Wu, W., Chen, K., Hong, S., and Lai, Y., A critical review of battery thermal performance and liquid-based battery thermal management, Energy Conversion and Management, 182, 262-281, 2019.
• 18. Dougal R.A., Liu S., White R.E., Power and Life Extension of Battery – Ultracapacitor Hybrids, IEEE Trans. Components Packag. Technol., 25 (1), 120-131., 2002.
• 19. Khaligh A., Li Z., Battery, Ultracapacitor, Fuel Cell, and Hybrid Energy Storage Systems for Electric, Hybrid Electric, Fuel Cell, and Plug-In Hybrid Electric Vehicles: State of the Art, IEEE Trans. Veh. Technol., 59 (6), 2806-2814, 2010.
• 20. Pekala, R. W., Organic Aerogels from the Polycondensation of Resorcinol with Formaldehyde, Journal of Materials Science, Cilt 24, 3221-3227, 1989.
• 21. Lind, C., ve Ritter, J. A., Effect of Synthesis pH on the Structure of Carbon Xerogels, Carbon, Cilt 35, 1271-1278, 1997.
• 22. Yue, X., Zhang, T., Yang, D., Qiu, F., Li, Z., Hybrid aerogels derived from banana peel and waste paper for efficient oil absorption and emulsion separation, J. Clean. Prod. 199, 411–419, 2018.
• 23. Sarawade P.B., Shao G.N., Quang D.V., Kim H.T., Effect of Various Structure Directing Agents on the Physicochemical Properties of the Silica Aerogels Prepared at an Ambient Pressure, Applied Surface Science, 287,84-90, 2013.
• 24. Wang B., Ma H, Song K., Preparation and characterization of silica aerogels from diatomite via ambient pressure drying, Russian Journal of Physical Chemistry A., 88, 1196–1201, 2014.