Mg Esaslı Yeni Nesil NiMH Pil Üretimi
Transkript
Mg Esaslı Yeni Nesil NiMH Pil Üretimi
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) Çalışmanın Amacı Magnezyum ve Pil ODTÜ Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü Enerji Magnezyum doğada en çok bulunan dördüncü elementtir. Magnezyum Esaslı Negatif Elektrot Malzemesi Üretim Süreci Depolama Malzemeleri Laboratuvarı’nda gerçekleştirilen bu Kristal yapısı hekzagonal sıkı paket olan magnezyum en hafif Magnezyumun direkt olarak NiMH pillerinde negatif elektrot çalışmada NiMH pilleri için negatif elektrot malzemesi metallerden biri olma özelliğiyle de önem kazanmıştır. malzemesi olarak kullanılmasının önünde iki temel engel geliştirilmesi hedeflenmiştir. Çalışmanın amacı bu pillerde NiMH kullanılan ‘’La‘’ esaslı AB5 veya ‘’Ti‘’ esaslı AB2 bileşiklerinden dönüştürülebilir hidrürlenme reaksiyonu depolama/boşaltım daha yüksek kapasiteli, uzun ömürlü, güvenilir ve ucuz ile çalışmaktadır. Atomik hidrojen metal gerçekleşmesi elektrot malzemesi geliştirilmesidir. hidrür oluşumu sırasında metalde sıralanabilir.[6] Bu çalışmada mekanik alaşımlama ve yüzey pilleri depolanmakta, edilmesi sırasında metallerin böylelikle metal şarj pilin sağlanmaktadır. ise geri hidrür Deşarj tekrar metalik forma dönmekte ve pilden Şekil 1. Magnezyum kristal yapısı (HCP). 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] Kullanım ömrü göz önüne alındığında 1 adet NiMH enerji eldesi mümkün olmaktadır.[4] Bu engeller ve magnezyumun reaksiyonlarının düşük korozyon hidrojen çok yavaş direnci olarak Mekanik 𝟐𝑲𝑶𝑯(𝒔) + 𝟐𝑴𝒈(𝒔) → 𝟐𝑴𝒈𝑶(𝒔) + 𝑲𝟐 (𝒔) + 𝑯𝟐 (𝒈) Çizelge 1. Korozyon testi sonuçları. Karbon kaplama işlemi görmeyen tozlar yüksek oranda korozyona maruz kaldığı için daha fazla gaz oluşumu tespit edilmiştir. alaşımlama yönteminde magnezyum Toz Cinsi (≤100mm - MERCK) ve tozları bilyalı değirmen ile hidrojen depolayıcı bir alaşımdır (Retsch ve negatif elektrodun hidrojen Type) öğütülerek (Mg-Ni) depolama kapasitesi toplam pil hidrürlenme kapasitesini belirler. Magnezyum geliştirilmeye çalışılmıştır. 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. PM400-MA kinetikleri kütlece %7,6 miktarında hidrojen 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. depolayabilme özelliğine sahiptir. NiMH pili içerisinde kullanılacak Mevcut alaşım elde edildikten sonra pillerinde korozyon reaksiyonu: kaplama işlemleri ile bu engeller aşılmaya çalışılmıştır. NiMH pillerde de negatif elektrot NiMH Magnezyumun alkalin ortamdaki nikel (≈45mm - Höganäs) ise negatif elektrot kütlece %1,3 organik hidrojen depolayabilmekte, bu kaynaklarının pirolizi yöntemi pili 750 adet kullan-at pil sebeple de düşük bir enerji ile eşdeğer süre boyunca yoğunluğu vermektedir.[5] Şekil 2. NiMH pillerinde metal hidrür oluşumu. Oluşan hidrür yapısı deşarj sırasında tekrar metalik forma dönmektedir. (Schlapbach, 2009, p. 811, doi:10.1038/460809a) aktif olarak kullanılabilir.[2] NiMH NiMH piller doğaya ve çevreye zararlı maddeler içermezler. pillerde mevcut yerine avantajlıdırlar.[3] Şekil 5. Atmosfer kontrollü karbon kaplama reaktörü. Sistem asal gaz ile beslenip oksidatif atmosfer oluşumu engellenmektedir. artışla daha geniş bir yelpazede kullanılabilecektir. karbon tozları içerisine alınmıştır (C@Mg-Ni). Çalışma karbon kaynağı sitrik asit kullanılmıştır. Kaplama sonrasında tabakanın etkinliği korozyon hacmi ölçülerek belirlenmeye Şekil 6. Alaşımın karbon kaplama öncesi (sol) ve sonrası (sağ). Karbon kaplı tozlar hidrofilik kaplama tabakaları sayesinde sıvı içerisinde batmamaktadırlar. çalışılmıştır. Saf Mg Toz Toplanan Miktarı Gaz 6 gr. ≥ 83 ml. MgNi 6 gr. ≤ 13 ml. C@MgNi 6 gr. 0 ml. 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. karbon reaksiyonu ürünü olan gazın birlikte NiMH piller çok 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) kabuk (SigmaAldrich) durumunda Bu karbon olarak pil kapasitesi beş kat artacaktır. alaşım süresince magnezyumun kullanılması esaslı kullanılarak negatif elektrot malzemesi Güvenli, çevre dostu ve uzun ömürlüdürler. Maliyet olarak da NiMH piller kullan-at türü pillerden daha mevcuttur. Şekil 7. Mekanik alaşımlama sonrası elde edilen ürünün taramalı elektron mikroskobu (SEM – FEI Nova NanoSEM) görüntüleri. Son ürünün parçacık boyutu ortalama 20 mikron seviyesindedir. 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.