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.