Graphene Based High Efficiency Energy Storage Systems (GREENSTOR)

Abstract

Özet Küresel olarak enerjinin çevresel olarak temiz olarak temini ve güvenilir bir şekilde dağıtımı günümüzde önemli bir problem olmuş ve birçok bilim insanının temel görevi haline gelmiştir. Temiz enerjinin sera gazlarının azaltılması ve dünya iklimi üzerinde olumlu bir etkiye sahip olduğu tartışılmazdır. Bu proje önerisi kapsamında Türkiye ve Fas’tan bir araya gelmiş bilim insanları sürüdürülebilir bir toplum için enerji depolamadaki temel problemleri araştırmak üzere bir araya gelmişlerdir. Gününmüzdeki pratik uygulamalar irdelendiğinde enerji yoğunluğu en yüksek şarj edilebilir piller Li-iyon ya da Li-polimer piller olduğu görülmektedir. Ticari olarak bu tip piller cep telefonlarında, taşınabilir bilgisayarlarda ya da video kaydedici cihazlarda yoğun olarak kullanılmaktadır. Bu tür pillerin daha da geliştirilmesi ile hibrit araçlar için daha büyük ya da daha da küçültülerek “çip üzerinde pil” konseptine uygun olarak daha küçük elektronik cihazlarında üretimi içinde önemli bir sorunun ortadan kaldırılmasına yardımcı olacaktır. Önerilen proje kapsamında düşük maliyetli ve daha yüksek kapasiteye sahip elektrot malzemelerin sentezlenmesi öncelikli konudur. Bu nedenle, olivin-yapılı fosfatlı LiMPO4 (M = Fe, Mn, Ni, vs.) elektrot malzemeleri daha zehirsiz, düşük maliyetli, gelişmiş termal ve kimyasal kararlılığa ve Fas topraklarında daha fazla bulunması nedeniyle tercih edilmiştir. Ancak fosfat esaslı malzemelerin daha düşük elektronik ve iyonik iletkenliğe sahiptir. Bu nedenle yüksek kapasite değerlerine sahip LiMPO4 (M = Fe, Mn, Ni, vs.) elektrot malzemelerinin sentezlenmesi oldukça güçtür. Bu proje önerisi kapsamında özellikle elektrokimyasal enerji depolama alanında çok bileşenli hibrit nanokompozit elektrotlar geliştirilecektir. Proje ekibi geliştirdiği yüzey aktif madde destekli kimyasal yöntem tekniklerini kullanarak ilk kez gram mertebesinde en az 8-12 katmanlı grafen üretecektir. Üretilen grafen araştırmacılara ücretsiz temin edilecek ve aynı zamanda proje ekibine özgün yolk-shell (yumurta tipi) karbon kaplı Si ve Sn esaslı grafen takviyeli nanokpompozit hibrit negatif ve pozitif elektrotlar geliştirilecektir. Böylece hem literatüre ve hem de Li pillerin taşınabilir ve elektrikli araçlar (EV) gibi uygulamalarda ileride daha uzun süre serviste kalmasına katkı sağlanacaktır.

Abstract To globally solve the problem of an environmentally clean and secure distribution of energy is a major task for scientist worldwide. The use of clean energy will have a direct positive influence on, for example, the emission of greenhouse gases and our future climate. In this project the joint collaboration between Turkey and Morocco will address the issue of energy storage for a sustainable society. Today the rechargeable battery with the highest energy density is the Li-ion or Li-polymer battery. Commercially this battery is used for mobile phones, laptops and camcorders. The development of new batteries of this type has to go towards larger batteries for hybrid vehicles or towards further miniaturisation for smaller electronic devices where “battery on a chip” is one solution Seeking for some other cost-effective cathode materials with better performance is a significant task. And therefore, olivine-structured phosphate LiMPO4 (M = Fe, Mn, Ni, etc.) materials have attracted great attention due to many advantages, such as lower toxicity, lower cost, better thermal, chemical stability and it’s large availability in the Moroccan earth. Unfortunately, phosphate based cathode material possesses low intrinsic electronic and ionic conductivity. So, that it is difficult to prepare LiMPO4 (M: Fe, Mn) with a high performance, and many groups have explored various solutions to solve the problems, including enhancing the electronic conductivity among particles In this current project proposal, it is aimed to develop graphene based hybrid nanocomposite electrode materials for high capacity Li ion batteries. Literature reports show that several methods can be applied to obtain graphene structures. Particularly, it is possible to obtain monolayer graphene via chemical vapor deposition techniques (CVD) while it is also possible to obtain multilayer graphene via chemical reduction methods. However, it is not possible to produce more than a few milligrams by using both of these methods. Most of the time, the researchers in the field of graphene based materials have not reported the exact number of graphene layers. This is mainly due to the re-agglomeration of graphene nano layers after reduction processes applied from the graphene oxide. In this project proposal, as a first attempt in the national level, the project team is going to produce gram scale graphene materials having at least 8-12 layers. Project team is also going to produce hybrid yolk-shell carbon coated Si and Sn, reinforced with multi and mono layer graphene nanocomposite negative and positive electrode materials for Li-ion batteries