Biomass-derived porous carbon materials as sulfur hosts for lithium–sulfur batteries
Lityum–kükürt piller için biyokütle kökenli gözenekli karbonların kükürt taşıyıcı olarak kullanımı
- Tez No: 1015851
- Danışmanlar: DOÇ. DR. NİL ÖZBEK YILDIZ, DOÇ. DR. DAMLA EROĞLU PALA
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Artan enerji ihtiyacı ve çevresel sürdürülebilirlik gereksinimleri, enerji depolama teknolojilerinde düşük maliyetli ve çevre dostu malzemelerin geliştirilmesini zorunlu kılmaktadır. Bu kapsamda, biyokütle atıklarının değerlendirilmesi, hem çevresel atıkların azaltılması hem de yenilenebilir enerji depolama malzemelerinin geliştirilmesi açısından önemli bir potansiyel sunmaktadır. Lityum–kükürt (Li–S) pilleri, yüksek teorik enerji yoğunluğu ve kükürdün çevre dostu yapısı sayesinde gelecek vaat eden enerji depolama sistemleri arasında yer almaktadır. Ancak, şarj–deşarj süreçlerinde oluşan polisülfitlerin neden olduğu mekik etkisi, bu pillerin çevrimsel kararlılığını sınırlayan temel sorunlardan biridir. Bu çalışmada, çeşitli biyokütle atıklarından (soğan kabuğu, avokado çekirdeği, ıspanak ve brokoli) türetilmiş karbon malzemelerinin Li–S pillerinde katot taşıyıcısı olarak kullanımı araştırılmıştır. Biyokütle kaynakları karbonizasyon ve potasyum hidroksit (KOH) ile kimyasal aktivasyon işlemleri uygulanarak gözenekli karbon yapılara dönüştürülmüştür. Elde edilen karbon malzemelerinin yapısal, kimyasal ve yüzey özellikleri termogravimetrik analiz (TGA), elementel analiz, Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi (FTIR) ve Brunauer–Emmett–Teller (BET) metodu ile karakterize edilmiştir. Elektrokimyasal performansları ise galvanostatik şarj–deşarj testleri, Coulombic verimlilik ölçümleri ve elektrokimyasal empedans spektroskopisi kullanılarak değerlendirilmiştir. Bu çalışmada, sentezlenen karbon malzemelerin mikrogözenek ve mezogözeneklerden oluşan hiyerarşik yapılar sergilediği ve bu yapıların katot stabilitesini belirgin şekilde artırdığı ortaya konmuştur. Mikrogözenekler kükürt ve polisülfit türlerinin tutulmasına katkı sağlarken, mezogözenekler iyonların hızlı taşınmasına olanak tanıyan etkili iletim kanalları oluşturmaktadır. Hazırlanan kompozit malzemeler lityum–kükürt (Li–S) pillerinde katot taşıyıcısı olarak değerlendirilmiş ve elektrokimyasal performansları 100 çevrim boyunca incelenmiştir. Elde edilen sonuçlar, biyokütle türevli karbonların yüksek kapasite korunumu ve çevrimsel kararlılık sergilediğini göstermektedir. Bu bulgular, biyokütle kökenli gözenekli karbonların yüksek performanslı, ekonomik ve sürdürülebilir Li–S pil sistemlerinin geliştirilmesi için güçlü bir alternatif sunduğunu ortaya koymaktadır.
Özet (Çeviri)
Increased global demand for energy consumption with rising environmental concerns, has contributed to an interest in finding inexpensive and eco-friendly alternatives for advanced energy storage applications. Within this framework, the utilization of biomass waste has emerged as an attractive strategy, offering a dual benefit of waste reduction and the development of renewable energy storage materials. Among various candidates, lithium-sulfur (Li-S) battery systems have become increasingly interesting in recent years as a new class of next-generation energy storage systems, owing to high energy density and the inherently eco-friendly nature of sulfur. However, their practical application is hindered by the polysulfide shuttle effect that occurs in the process of charging/discharging, which causes a significant loss of capacity, as well as poor cycling stability. In this study, carbon materials derived from various biomass wastes, including onion peel, avocado seed, spinach, and broccoli have been studied as potential host materials for use in the cathode of a lithium-sulfur (Li-S) battery. The biomass precursors were converted into porous carbon structures through carbonization followed by chemical activation using potassium hydroxide (KOH). The chemical, structural and surface characteristics of the carbons that were produced were analyzed through elemental analysis, thermogravimetric analysis (TGA), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and Brunauer-Emmett-Teller (BET) surface area measurements. The electrochemical performance of Li-S cells produced with these porous carbon structures was tested through galvanostatic charge-discharge cycling, Coulombic efficiency evaluation, and electrochemical impedance spectroscopy. The results demonstrate that the synthesized carbon material has a hierarchical structure of pores consisting of micropores and mesopores that are connected. These hierarchical structures improve the stability of the cathode. The micropores help to confine sulfur and other soluble polysulfides that are produced during discharge. The mesoporosity of the composite materials also allows for fast ion diffusion through the materials. The prepared composite materials were tested as a sulfur host cathode in a lithium-sulfur (Li-S) battery, and their electrochemical performance was tested over 100 charge-discharge cycles. The results showed that the biomass-derived carbons demonstrated high capacity retention and high cycling stability. Overall, the results from this research have provided strong evidence that porous carbons made from biomass could be an inexpensive and sustainable method for developing high-performance Li-S battery systems.
Benzer Tezler
- İncir işletmelerinde açığa çıkan hurda incirlerin tek hücre proteini üretiminde substrat olarak kullanımı
Başlık çevirisi yok
HÜLYA OKER
Yüksek Lisans
Türkçe
1987
Gıda MühendisliğiEge ÜniversitesiGıda Bilimi ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET KARAPINAR
- Biogas production from agricultural wastes-semi-continuous digestion of wheat straw
Başlık çevirisi yok
AYŞE TOSUN
- Kinetics of by-product formation and substrate utilization by kluyveromyces fragilis
Başlık çevirisi yok
NEŞE ÜLGEN(YAZLIK)
Yüksek Lisans
İngilizce
1987
Gıda MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiYRD. DOÇ. DR. MUSTAFA ÖZİLGEN
- Kuvvetli atıkların yukarı akışlı havasız filtrelerde arıtım kinetiği
Kinetics of strong waste treatment by anqerobic upflow filters
M.ATALAY TİMUR
- Akışkan yataklı reaktörde biyolojik denitrifikasyon sürecinin incelenmesi
Başlık çevirisi yok
M.GÜRKAN DUMLU