magnezyum esaslı yeni nesil nimh pili negatif elektrot...

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)