Electrodeposition of nickel sulfur composite cathodes for lithium-sulfur batteries
Lityum-sülfür pilleri için nikel sülfür kompozit katotlarının elektrodepozisyonu
- Tez No: 973331
- Danışmanlar: DOÇ. DR. DAMLA EROĞLU PALA
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya Mühendisliği, Enerji, Chemical Engineering, Energy
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Boğaziçi Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Lityum-sülfür (Li-S) piller, yüksek teorik özgül enerjileri ve sülfürün doğal bolluğu nedeniyle en umut verici yeni nesil enerji depolama sistemlerinden biri olarak ortaya çıkmıştır. Ancak, polisülfür mekik mekanizması, zayıf elektrik iletkenlik ve döngü sırasında hacimsel genleşme, Li-S pillerin ticarileşmesini engellemiştir. Bu çalışma, bu sınırlamaları aşmak için kontrollü elektrodepozisyon yoluyla Ni-S kompozit katotların geliştirilmesine odaklanmaktadır. Çalışma, tiyoüre konsantrasyonu (50-100 g/L), akım yoğunluğu (-25 ila 100 mA/cm²), depozisyon süresi (15-60 dakika) ve dispersan katkı maddeleri (polietilenimin, PEI ve sodyum dodesil sülfat, SDS) gibi önemli elektrodepozisyon parametrelerinin Ni-S kompozitlerinin bileşimi, morfolojisi ve elektrokimyasal performansı üzerindeki etkisini incelemektedir. Elektrolit olarak modifiye edilmiş Watts banyosu kullanılarak, yüksek sülfür yüklemesi ve homojen dağılım elde etmek için elektrodepozisyon süreci optimize edilmiştir. Kompozitleri değerlendirmek için SEM/EDS, TGA, doğrusal tarama voltametrisi (LSV), döngüsel voltametri (CV), elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) ve galvanostatik döngü kullanılmıştır. Sonuçlar, 75 g/L'lik bir tiyoüre konsantrasyonunun optimal kükürt miktarı (ağırlıkça %12,78) sağladığını, daha düşük akım yoğunluklarının (-25 mA/cm²) da daha yüksek sülfür içeriğini desteklediğini göstermiştir. PEI ve SDS ilavesi, parçacık homojenliğini önemli ölçüde iyileştirmiş ve topaklanmayı azaltmıştır, ancak bu, kırılgan kaplamalara yol açmıştır. Elektrokimyasal testler, Ni-S katotlarda farklı bir redoks davranışı olduğuna işaret etmiştir. Bu davranış, NiS oluşumu ve dönüşüm reaksiyonlarına karşılık gelen 1,8 V ve 1,3 V'da karakteristik pikler göstermiştir. Optimize edilmiş katot, C/10 hızında 204 mAh/gS'lik bir başlangıç deşarj kapasitesi sağlamıştır. Bu sonuçlar, Li-S piller için elektrodepozite Ni-S kompozitlerin potansiyelini gösterse de, döngü stabilitesini ve kapasite tutma özelliğini iyileştirmek için daha fazla optimizasyon gereklidir. Bu çalışma, elektrodepozisyon parametreleri ile katot performansı arasındaki ilişkiye ilişkin değerli bilgiler sağlayarak, pratik, yüksek enerji yoğunluklu Li-S pil sistemlerinin geliştirilmesine katkıda bulunmayı hedeflemektedir.
Özet (Çeviri)
Lithium-sulfur (Li-S) batteries have emerged as one of the most promising next generation energy storage systems due to their high theoretical specific energy and the natural abundance of sulfur. However, the polysulfide shuttle effect, poor electrical conductivity, and volumetric expansion during cycling have hindered the commercialization of Li-S batteries. This study focuses on developing Ni-S composite cathodes through controlled electrodeposition to overcome these limitations. The study investigates the influence of key electrodeposition parameters - including thiourea concentration (50-100 g/L), current density (-25 to -100 mA/cm²), deposition time (15-60 minutes), and dispersant additives (polyethyleneimine, PEI and sodium dodecyl sulfate, SDS) - on the composition, morphology, and electrochemical performance of Ni-S composites. Using a modified Watts bath as the electrolyte, the electrodeposition process was optimized to achieve high sulfur loading and uniform distribution. SEM/EDS, TGA, linear sweep voltammetry (LSV), cyclic voltammetry (CV), electrochemical impedance spectroscopy (EIS), and galvanostatic cycling were employed to evaluate the composites. Results indicate that a thiourea concentration of 75 g/L yields optimal sulfur incorporation (12.78 wt%), and lower current densities (-25 mA/cm²) favor higher sulfur content. The addition of PEI and SDS significantly improves particle homogeneity and reduces agglomeration, though it leads to brittle coatings. Electrochemical testing reveals distinct redox behavior in Ni-S cathodes, with characteristic peaks at 1.8 V and 1.3 V corresponding to NiS formation and conversion reactions. The optimized cathode delivers an initial discharge capacity of 204 mAh/gS at a C/10 rate. While these results demonstrate the potential of electrodeposited Ni-S composites for Li-S batteries, further optimization is required to improve cycling stability and capacity retention. This work provides valuable insights into the relationship between electrodeposition parameters and cathode performance, contributing to the development of practical, high-energy-density Li-S battery systems.
Benzer Tezler
- NiO/ZnO ve NiO/ZnO/Al2O3 nanokompozit partiküllerinin ultrasonik sprey piroliz (USP) yöntemiyle üretimi
Production of NiO/ZnO and NiO/ZnO/Al2O3 nanocomposite particles by ultrasonic spray pyrolysis (USP) technique
DUYGU YEŞİLTEPE
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEBAHATTİN GÜRMEN
- Preparation of organic/inorganic hybrid nanocomposites for energy conversion processes
Organik/inorganik hibrid nanokompozit elektrotların hazırlanması ve enerji dönüşüm sistemlerinde kulanılması
ÖZLEM BUDAK
Doktora
İngilizce
2024
Kimya MühendisliğiMarmara ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ATIF KOCA
- Hibrit süperkapasitörler için pil tipi elektrot olarak elektrokimyasal yolla nikel kobalt sülfür sentezi
Electrochemical synthesis of nickel cobalt sulfide as a battery-type electrode for hybrid supercapacitors
SEDA YILMAZ
- 1040 çeliğinin farklı veri döngülerinde akımlı nikel fosfor kaplanması ve aşınma sonuçlarının karşılaştırılması
The electrodeposition of nickel posphorus on 1040 steel in different data cycles and comparison of wear results
ATAKAN ÖNDÜÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Mühendislik BilimleriSakarya Uygulamalı Bilimler ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MUSTAFA AKÇİL
- Electrodeposition and characterization of nickel/titanium carbide nanocomposites
Nikel/titanyum karbür nanokompozitlerin elektrodepozisyonu ve karakterizasyonu
NURCAN ACET
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Kimya MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. DAMLA EROĞLU PALA