Yüksek Sıcaklıkta Çalışan Sodyum Sülfür Pillerinin Tasarlanması ve Farklı Karbon Yapılar İle Katot Bileşeni Geliştirilmesi

Abstract

Günümüzde yenilenebilir enerji kaynakları olan Güneş enerji santrallerinin (GES) ve rüzgar enerji santrallerinin (RES) kullanımı yaygınlaşmaya başlamıştır. Temiz ve çevre dostu olan bu teknolojilerin enerji üretimi iklim şartlarına bağlı olarak değişkenlik göstermektedir. Üretilen enerjinin depolanması, çevre koşullarından bağımsız sürekli enerji akışı sağlayabilir. Enerji depolama birimi için elektrokimyasal enerji depolama sistemleri (EED) yenilenebilir enerji kaynaklarında kullanıma oldukça elverişlidir. EED birimi olarak da sodyum sülfür pilleri (NaS) oldukça iyi bir alternatiftir. NaS, yüksek enerji yoğunluğuna (150-230 W/kg), yüksek enerji verimliliğine (89-92 %) ve uzun döngü süresine ( 5000-2500 döngü) sahip pildir. Bu tez kapsamında NaS pili sistemlerinin zayıf yönlerini yenilikçi tasarımlar ile iyileştirme çalışmaları yapılmıştır. Bunun için sökülebilir silindirik ve düzlemsel NaS sistemleri tasarlanıp üretilmiştir. Geliştirilen sistemlerin performans testleri yapılmış ve 10 mA/cm2'lik akım yoğunluğu elde edilmiştir. NaS pillerinin katot tarafında bulunan eriyik kükürt elektrotunun elektriksel iletkenliği ( ̴ 1x10-10 mS.cm-1) çok düşük olduğu bilinmektedir. Katot tarafı elektriksel iletkenliğin artırılması için farklı karbon yapılar kullanılarak katot bileşenleri geliştirilmiştir. Karbon yapılar olarak VulcanXC-72R, VulcanXC-72, MWCNT ve BP-2000 kullanılmıştır. Karbon oranları ağırlıkça %6-22 arasında olan katot elektrotlarının 125-300 oC sıcaklıkları arasında 25'er derecelik adımlarla elektriksel iletkenlik testleri yapılmıştır. Ölçümler AC miliohmmetre ile 50 Hz'de 20mV'luk alternatif akım uygulanarak ve potansiyostat / galvanostat cihazı ile 10 mV genlikte 1-10000 Hz aralığında yapılmıştır. Ölçümler sonucunda BP-2000 %16 C'li katot bileşeninin öz iletkenliği 0,94 S.cm-1 olarak belirlenmiştir. Geliştirilen katot bileşenlerinin SEM ve EDS karakterizasyonları yapılarak karbon ve kükürtün yapı üzerine dağılımı incelenmiştir.

Nowadays the use of solar power plants (GES) and wind power plants (RES), which are renewable energy sources, has become widespread. The energy production of these technologies, which are clean and eco-friendly, varies depending on the climatic conditions. Storing the generated energy can provide continuous energy flow independent from environmental conditions. Electrochemical energy storage systems (EED) are very convenient to use in renewable energy sources for energy storage units. As an EED unit, the sodium sulfur battery (NaS) is a very good alternate. NaS has high energy density (150-230 W / kg), high energy efficiency (89-92%) and long cycle life (5000-2500 cycles). In this thesis, to improve the weaknesses of NaS battery systems have been made with innovative designs. For this purpose, detachable tubular and planar NaS systems were designed and manufactured. Performance tests of the developed systems were performed and a current density of 10 mA/cm2 was obtained. The electrical conductivity (̴ 1x10-10 mS.cm-1) of the molten sulfur electrode on the cathode side of NaS batteries is very low as known. Cathode components have been developed to increase the electrical conductivity of the cathode side using different carbon structures. VulcanXC-72R, VulcanXC-72, MWCNT and BP-2000 were used as carbon structures. Cathode electrodes with carbon ratios between 6-22% by weight were subjected to electrical conductivity tests between the temperature range 125-300 °C. Measurements were made by AC milliohmmeter using alternating current of 20 mV at 50 Hz and potentiostat / galvanostat with a frequency of 1-10000 Hz at 10 mV. As a result, the self-conductivity of the cathode component which includes 16% BP-2000 was determined to be 0.94 S.cm-1. SEM and EDS characterizations of the developed cathode components were made and the distribution of carbon and sulfur on the structure was investigated.