Magnezyum Esaslı Yeni Nesil NiMH Pili Negatif Elektrot Malzemesi Üretimi Cavit EYÖVGE (ODTÜ Metalurji ve Malzeme Mühendisliği) Akademik Danışman: Prof. Dr. Tayfur ÖZTÜRK (ODTÜ Metalurji ve Malzeme Mühendisliği) Sanayi Danışmanı: Dr. Serdar ERKAN (ERDES Teknoloji Kimya) Kaynakça 1. Fetcenko, M. A., Ovshinsky, S. R., Reichman, B., Young, K., Fierro, C., Koch, J., . . . Ouchi, T. (2007). Recent advances in NiMH battery technology. Journal of Power Sources, 165(2), 544-551. doi:10.1016/j.jpowsour.2006.10.036 2. Energizer Nickel Metal Hydride (NiMH) Handbook and Application Manual. (2010). Retrieved June 22, 2014, from http://data.energizer.com/PDFs/nickelmetalhydride_appman.pdf 3. GP Batteries - NiMH battery Technology. (2011). Retrieved June 22, 2014, from http://www.gpbatteries.com/INT/index.php?option=com_k2&view=item&id=386:nimh&Itemid=590 4. Schlapbach, L. (2009). Technology: Hydrogen-fuelled vehicles. Nature, 460, 809-811. doi:10.1038/460809a 5. Liu, Y., Gao, M., & Wang, Q. (2010). Advanced hydrogen storage alloys for Ni/MH rechargeable batteries. Journal Materials Chemistry, 21, 4743-4755. doi:10.1039/c0jm01921f 6. Schlapbach, L., & Züttel, A. (2001). Hydrogen-storage materials for mobile applications. Nature, 414(15), 353-358 Bu proje TÜBİTAK 2241/A Sanayi Odaklı Lisans Bitirme Tezi Destekleme Programı kapsamında desteklenmektedir. Sonuçlar Negatif elektrot olarak kullanımın önüne geçen düşük reaksiyon kinetiği mekanik alaşımlama metodu ile giderilmeye çalışılmış ve Mg-Ni alaşımı üretilmiştir . Bu işlem halen amorf alaşım elde etme doğrultusunda devam etmektedir. Üretilen Mg-Ni alaşımı karbon bir kabuk içerisine alınarak alaşımın korozyon direnci iyileştirilmeye çalışılmıştır. Alaşım için teorik hidrojen depolama kapasitesinin kütlece %3,2 olarak beklenmektedir. Magnezyumun NiMH pili içerisinde negatif elektrot malzemesi olarak kullanılması doğrultusunda önemli mesafe kat edilmiştir . Gerek amorf alaşım gerekse korozyonun engellenmesi doğrultusunda yapılacak çalışmalara yüksek lisans tezi çerçevesinde devam edilmesi planlanmıştır . NiMH Piller Piller genel olarak kullan-at tipi ve şarj edilebilir olmak üzere iki kategoride incelenir. NiMH piller bu kategoriler içerisinden şarj edilebilir piller arasında yer almaktadır . [1] NiMH piller doğaya ve çevreye zararlı maddeler içermezler . Güvenli, çevre dostu ve uzun ömürlüdürler. Maliyet olarak da NiMH piller kullan-at türü pillerden daha avantajlıdırlar. [3] Çalışmanın Amacı ODTÜ Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü Enerji Depolama Malzemeleri Laboratuvarı’nda gerçekleştirilen bu çalışmada NiMH pilleri için negatif elektrot malzemesi geliştirilmesi hedeflenmiştir . Çalışmanın amacı bu pillerde kullanılan ‘’La‘’ esaslı AB 5 veya ‘’Ti‘’ esaslı AB 2 bileşiklerinden daha yüksek kapasiteli, uzun ömürlü, güvenilir ve ucuz elektrot malzemesi geliştirilmesidir. Magnezyum ve Pil Magnezyum doğada en çok bulunan dördüncü elementtir. Kristal yapısı hekzagonal sıkı paket olan magnezyum en hafif metallerden biri olma özelliğiyle de önem kazanmıştır . Magnezyum Esaslı Negatif Elektrot Malzemesi Üretim Süreci Magnezyumun direkt olarak NiMH pillerinde negatif elektrot malzemesi olarak kullanılmasının önünde iki temel engel mevcuttur. Bu engeller magnezyumun hidrojen depolama/boşaltım reaksiyonlarının çok yavaş gerçekleşmesi ve düşük korozyon direnci olarak sıralanabilir . [6] Bu çalışmada mekanik alaşımlama ve yüzey kaplama işlemleri ile bu engeller aşılmaya çalışılmıştır . Şekil 2. NiMH pillerinde metal hidrür oluşumu. Oluşan hidrür yapısı deşarj sırasında tekrar metalik forma dönmektedir. (Schlapbach, 2009, p. 811, doi:10.1038/460809a) Kullanım ömrü göz önüne alındığında 1 adet NiMH pili 750 adet kullan-at pil ile eşdeğer süre boyunca aktif olarak kullanılabilir . [2] Şekil 1. Magnezyum kristal yapısı (HCP). NiMH pilleri metallerin geri dönüştürülebilir hidrürlenme reaksiyonu ile çalışmaktadır . Atomik hidrojen metal hidrür oluşumu sırasında metalde depolanmakta, böylelikle pilin şarj edilmesi sağlanmaktadır . Deşarj sırasında ise metal hidrür tekrar metalik forma dönmekte ve pilden enerji eldesi mümkün olmaktadır . [4] NiMH pillerde de negatif elektrot hidrojen depolayıcı bir alaşımdır ve negatif elektrodun hidrojen depolama kapasitesi toplam pil kapasitesini belirler. Magnezyum kütlece %7,6 miktarında hidrojen depolayabilme özelliğine sahiptir. Mevcut NiMH pillerinde ise negatif elektrot kütlece %1,3 hidrojen depolayabilmekte, bu sebeple de düşük bir enerji yoğunluğu vermektedir. [5] Şekil 3. NiMH pili çalışma prensibi. Negatif elektrot hidrojen depolayıcı alaşımdan, pozitif elektrot ise Ni(OH) 2 malzemesinden oluşmaktadır. (Liu, Gao, & Wang, 2010, p. 4745, doi:10.1039/c0jm01921f) NiMH pillerde mevcut negatif elektrot malzemesi yerine magnezyumun kullanılması durumunda pil kapasitesi beş kat artacaktır. Bu artışla birlikte NiMH piller çok daha geniş bir yelpazede kullanılabilecektir . Mekanik alaşımlama yönteminde magnezyum (≤100mm - MERCK) ve nikel (≈45mm - Höganäs) tozları bilyalı değirmen ile (Retsch PM400-MA Type) öğütülerek (Mg-Ni) hidrürlenme kinetikleri geliştirilmeye çalışılmıştır . Şekil 4. Mekanik alaşımlama sonrası elde edilen tozun X ışınları kırınımı deseni (Rigaku Ultima IV). Mg ve Ni tozların kütlesel dağılımı Rietveld analizine göre %70 Ni - %30 Mg şeklindedir. Bu oran atomik olarak %50 Ni - %50 Mg olarak belirtilebilir. NiMH pili içerisinde kullanılacak alaşım elde edildikten sonra organik esaslı karbon kaynaklarının pirolizi yöntemi kullanılarak alaşım tozları karbon kabuk içerisine alınmıştır (C@Mg-Ni). Çalışma süresince karbon kaynağı olarak sitrik asit (SigmaAldrich) kullanılmıştır . Kaplama sonrasında karbon tabakanın etkinliği korozyon reaksiyonu ürünü olan gazın hacmi ölçülerek belirlenmeye çalışılmıştır . Şekil 5. Atmosfer kontrollü karbon kaplama reaktörü. Sistem asal gaz ile beslenip oksidatif atmosfer oluşumu engellenmektedir. Şekil 6. Alaşımın karbon kaplama öncesi (sol) ve sonrası (sağ). Karbon kaplı tozlar hidrofilik kaplama tabakaları sayesinde sıvı içerisinde batmamaktadırlar. Şekil 7. Mekanik alaşımlama sonrası elde edilen ürünün taramalı elektron mikroskobu (SEM – FEI Nova NanoSEM) görüntüleri. Son ürünün parçacık boyutu ortalama 20 mikron seviyesindedir. Şekil 8. Üretilen tozların karbon kaplama öncesi ve sonrasındaki korozyon davranışı için kurulan gaz toplama düzeneği. Korozyon sırasında Mg’nin MgO’ya dönüşen miktarı toplanan gaz hacmi yardımıyla hesaplanabilmektedir. Toz Cinsi Toz Miktarı Toplanan Gaz Saf Mg 6 gr. ≥ 83 ml. MgNi 6 gr. ≤ 13 ml. C@MgNi 6 gr. 0 ml. Çizelge 1. Korozyon testi sonuçları. Karbon kaplama işlemi görmeyen tozlar yüksek oranda korozyona maruz kaldığı için daha fazla gaz oluşumu tespit edilmiştir. Magnezyumun alkalin ortamdaki korozyon reaksiyonu: () + () → () + () + ()
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Magnezyum Esaslı Yeni Nesil
NiMH Pili Negatif Elektrot Malzemesi Üretimi
Cavit EYÖVGE (ODTÜ Metalurji ve Malzeme Mühendisliği)
Akademik Danışman: Prof. Dr. Tayfur ÖZTÜRK (ODTÜ Metalurji ve Malzeme Mühendisliği) Sanayi Danışmanı: Dr. Serdar ERKAN (ERDES Teknoloji Kimya)
Kaynakça1. Fetcenko, M. A., Ovshinsky, S. R., Reichman, B., Young, K., Fierro, C., Koch, J., . . . Ouchi, T. (2007). Recent advances in NiMH battery technology. Journal of Power
Sources, 165(2), 544-551. doi:10.1016/j.jpowsour.2006.10.036
2. Energizer Nickel Metal Hydride (NiMH) Handbook and Application Manual. (2010). Retrieved June 22, 2014, from
http://data.energizer.com/PDFs/nickelmetalhydride_appman.pdf
3. GP Batteries - NiMH battery Technology. (2011). Retrieved June 22, 2014, from
http://www.gpbatteries.com/INT/index.php?option=com_k2&view=item&id=386:nimh&Itemid=590
4. Schlapbach, L. (2009). Technology: Hydrogen-fuelled vehicles. Nature, 460, 809-811. doi:10.1038/460809a
5. Liu, Y., Gao, M., & Wang, Q. (2010). Advanced hydrogen storage alloys for Ni/MH rechargeable batteries. Journal Materials Chemistry, 21, 4743-4755.
doi:10.1039/c0jm01921f
6. Schlapbach, L., & Züttel, A. (2001). Hydrogen-storage materials for mobile applications. Nature, 414(15), 353-358
Bu proje TÜBİTAK 2241/A Sanayi Odaklı Lisans Bitirme Tezi Destekleme Programı kapsamında desteklenmektedir.
Sonuçlar
Negatif elektrot olarak kullanımın önüne geçen düşük
reaksiyon kinetiği mekanik alaşımlama metodu ile
giderilmeye çalışılmış ve Mg-Ni alaşımı üretilmiştir. Bu işlem
halen amorf alaşım elde etme doğrultusunda devam
etmektedir.
Üretilen Mg-Ni alaşımı karbon bir kabuk içerisine alınarak
alaşımın korozyon direnci iyileştirilmeye çalışılmıştır.
Alaşım için teorik hidrojen depolama kapasitesinin kütlece
%3,2 olarak beklenmektedir.
Magnezyumun NiMH pili içerisinde negatif elektrot malzemesi
olarak kullanılması doğrultusunda önemli mesafe kat
edilmiştir.
Gerek amorf alaşım gerekse korozyonun engellenmesi
doğrultusunda yapılacak çalışmalara yüksek lisans tezi
çerçevesinde devam edilmesi planlanmıştır.
NiMH Piller
Piller genel olarak kullan-at tipi ve şarj edilebilir olmak üzere
iki kategoride incelenir. NiMH piller bu kategoriler içerisinden
şarj edilebilir piller arasında yer almaktadır.[1]
NiMH piller doğaya ve çevreye zararlı maddeler içermezler.
Güvenli, çevre dostu ve uzun ömürlüdürler. Maliyet olarak
da NiMH piller kullan-at türü pillerden daha avantajlıdırlar.[3]
Çalışmanın Amacı
ODTÜ Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü Enerji
Depolama Malzemeleri Laboratuvarı’nda gerçekleştirilen bu
çalışmada NiMH pilleri için negatif elektrot malzemesi
geliştirilmesi hedeflenmiştir. Çalışmanın amacı bu pillerde
kullanılan ‘’La‘’ esaslı AB5 veya ‘’Ti‘’ esaslı AB2 bileşiklerinden
daha yüksek kapasiteli, uzun ömürlü, güvenilir ve ucuz
elektrot malzemesi geliştirilmesidir.
Magnezyum ve Pil
Magnezyum doğada en çok bulunan dördüncü elementtir.
Kristal yapısı hekzagonal sıkı paket olan magnezyum en hafif
metallerden biri olma özelliğiyle de önem kazanmıştır.
Magnezyum Esaslı Negatif Elektrot
Malzemesi Üretim Süreci
Magnezyumun direkt olarak NiMH pillerinde negatif elektrot
malzemesi olarak kullanılmasının önünde iki temel engel
mevcuttur. Bu engeller magnezyumun hidrojen
depolama/boşaltım reaksiyonlarının çok yavaş
gerçekleşmesi ve düşük korozyon direnci olarak
sıralanabilir.[6] Bu çalışmada mekanik alaşımlama ve yüzey
kaplama işlemleri ile bu engeller aşılmaya çalışılmıştır.
Şekil 2. NiMH pillerinde metal hidrür
oluşumu. Oluşan hidrür yapısı deşarj
sırasında tekrar metalik forma
dönmektedir. (Schlapbach, 2009, p. 811,
doi:10.1038/460809a)
Kullanım ömrü göz önüne
alındığında 1 adet NiMH
pili 750 adet kullan-at pil
ile eşdeğer süre boyunca
aktif olarak kullanılabilir.[2]
Şekil 1. Magnezyum kristal yapısı
(HCP).
NiMH pilleri metallerin geri
dönüştürülebilir hidrürlenme reaksiyonu
ile çalışmaktadır. Atomik hidrojen metal
hidrür oluşumu sırasında metalde
depolanmakta, böylelikle pilin şarj
edilmesi sağlanmaktadır. Deşarj
sırasında ise metal hidrür tekrar
metalik forma dönmekte ve pilden
enerji eldesi mümkün olmaktadır.[4]
NiMH pillerde de negatif elektrot
hidrojen depolayıcı bir alaşımdır
ve negatif elektrodun hidrojen
depolama kapasitesi toplam pil
kapasitesini belirler. Magnezyum
kütlece %7,6 miktarında hidrojen
depolayabilme özelliğine sahiptir.
Mevcut NiMH pillerinde ise
negatif elektrot kütlece %1,3
hidrojen depolayabilmekte, bu
sebeple de düşük bir enerji
yoğunluğu vermektedir.[5]
Şekil 3. NiMH pili çalışma prensibi. Negatif elektrot
hidrojen depolayıcı alaşımdan, pozitif elektrot ise
Ni(OH)2 malzemesinden oluşmaktadır. (Liu, Gao, &
Wang, 2010, p. 4745, doi:10.1039/c0jm01921f)
NiMH pillerde mevcut
negatif elektrot malzemesi
yerine magnezyumun
kullanılması durumunda
pil kapasitesi beş kat
artacaktır. Bu artışla
birlikte NiMH piller çok
daha geniş bir yelpazede
kullanılabilecektir.
Mekanik alaşımlama
yönteminde magnezyum
(≤100mm - MERCK) ve
nikel (≈45mm - Höganäs)
tozları bilyalı değirmen ile
(Retsch PM400-MA
Type) öğütülerek (Mg-Ni)
hidrürlenme kinetikleri
geliştirilmeye çalışılmıştır.
Şekil 4. Mekanik alaşımlama sonrası elde edilen tozun
X ışınları kırınımı deseni (Rigaku Ultima IV). Mg ve Ni
tozların kütlesel dağılımı Rietveld analizine göre %70
Ni - %30 Mg şeklindedir. Bu oran atomik olarak %50
Ni - %50 Mg olarak belirtilebilir.
NiMH pili içerisinde kullanılacak
alaşım elde edildikten sonra
organik esaslı karbon
kaynaklarının pirolizi yöntemi
kullanılarak alaşım tozları
karbon kabuk içerisine
alınmıştır (C@Mg-Ni). Çalışma
süresince karbon kaynağı
olarak sitrik asit
(SigmaAldrich) kullanılmıştır.
Kaplama sonrasında karbon
tabakanın etkinliği korozyon
reaksiyonu ürünü olan gazın
hacmi ölçülerek belirlenmeye
çalışılmıştır.
Şekil 5. Atmosfer kontrollü karbon kaplama
reaktörü. Sistem asal gaz ile beslenip oksidatif
atmosfer oluşumu engellenmektedir.
Şekil 6. Alaşımın karbon kaplama öncesi (sol)
ve sonrası (sağ). Karbon kaplı tozlar hidrofilik
kaplama tabakaları sayesinde sıvı içerisinde
batmamaktadırlar.
Şekil 7. Mekanik alaşımlama sonrası elde edilen ürünün taramalı elektron mikroskobu (SEM – FEI Nova
NanoSEM) görüntüleri. Son ürünün parçacık boyutu ortalama 20 mikron seviyesindedir.
Şekil 8. Üretilen tozların karbon kaplama
öncesi ve sonrasındaki korozyon davranışı
için kurulan gaz toplama düzeneği.
Korozyon sırasında Mg’nin MgO’ya
dönüşen miktarı toplanan gaz hacmi
yardımıyla hesaplanabilmektedir.
Toz Cinsi Toz
Miktarı
Toplanan
Gaz
Saf Mg 6 gr. ≥ 83 ml.
MgNi 6 gr. ≤ 13 ml.
C@MgNi 6 gr. 0 ml.
Çizelge 1. Korozyon testi sonuçları. Karbon
kaplama işlemi görmeyen tozlar yüksek oranda
korozyona maruz kaldığı için daha fazla gaz
oluşumu tespit edilmiştir.
Magnezyumun alkalin ortamdaki
korozyon reaksiyonu:
𝟐𝑲𝑶𝑯(𝒔) + 𝟐𝑴𝒈(𝒔) → 𝟐𝑴𝒈𝑶(𝒔) +𝑲𝟐(𝒔) +𝑯𝟐(𝒈)
Related Documents
