Development of carbon-free zinc-air batteries

Abstract

Çinko-hava bataryaları, sahip oldukları yüksek enerji yoğunluğu (~1000 Wh/kg), uygun maliyetleri ve güvenli olmaları nedeniyle günümüz enerji depolama sistemleri için en büyük ikameleri arasında olduğu düşünülmektedir. Ancak çinko-hava bataryalarının karbon korozyonu, gözenek tıkanması ve elektrot pasivasyonu gibi sorunlarla yüzleşmesi ve üstesinden gelmesi gerekmektedir. Bu bahsedilen problemlerin temelinde hava elektrodunda bulunan karbon bulunmaktadır. Bu sebeple hava elektrodundaki karbonun elimine edilmesi elektrodun performansını artıracaktır. Bu tez M-Era.NET 'AMAZE' projesi kapsamında ikincil çinko-hava bataryaları için hava elektrodu geliştirmek ve bu elektrotta kullanılmak üzere elektrokatalizör sentezlemeyi amaçlamaktadır. Elektrokatalizör olarak öncelikle manganez oksit seçilmiş ve konsantrasyon, pH, sıcaklık, öncül gibi farklı parametrelerle birlikte çöktürme yöntemi kullanılarak sentezlenmiştir. En iyi MnxOy çözelti pH'ı ve sıcaklığı 9.5 ve 60°C koşullarında elde edilmiştir. Katalizör sentezi için kullanılan ana öncü malzeme KMnO4 olarak belirlenmiştir ve bununla birlikte kullanılan HCl çözeltisi ile oranı hacimce 20:4(KMnO4:HCl) olacak şekilde ayarlanmıştır. Yapılan sentezler sonucu yüzey alanı 85.68 m2g-1 α-MnO2 elde edilmiştir. Ek olarak elde edilen katalizör oksijen indirgenme ve oksijen yükseltgenme reaksiyonları için sırasıyla 650mV ve 271mV potansiyelleri ve maksimum akım yoğunluğu olarak 10.5 mA.cm-2 değeri göstermiştir. ORR ve OER aktivitelerini yükseltmek amacıyla nikel ve kobalt eklemesinde karar kılınmıştır. Bu eklemeler sonucunda üretilen MnxNiyCozOt(1:0.5:0.5) katalizör diğer katalizörlerden daha iyi sonuçlara ulaşmıştır. 172.06 m2g-1'lık yüzey alanıyla en yüksek yüzey alanı değerine ulaşan bu katalizör ORR ve OER için 463mV ve 700mV potansiyel değerleri ile 96 mA.cm-2'lik bir akım yoğunluğuna ulaşmıştır.

Zinc-air batteries are thought to be among the greatest substitutes for present energy storage systems because of their high energy densities (~1000 Wh/kg), affordability, and safety. However, zinc-air batteries face several problems, such as carbon corrosion, pore-clogging, and electrode passivation. The main cause of these problems is carbon in the air electrode. Therefore, carbon should be eliminated from the air electrode to enhance its performance. This thesis aims to synthesize an electrocatalyst for air electrodes for secondary carbon-free zinc-air batteries within the scope of the M-Era.NET 'AMAZE' project. Initially, manganese oxide was selected as an electrocatalyst and synthesized using a co-precipitation method with different parameters such as concentration, pH, temperature, and precursor materials. The best MnxOy was obtained with a solution pH and temperature of 9.5 and 60°C, respectively. The main precursor for the catalyst was KMnO4, with a ratio of KMnO4:HCl as 20:4 by volume. α-MnO2 with a surface area of 85.68 m2g-1 was obtained. In addition, onset overpotentials for oxygen reduction and oxygen evolution reactions with 650mV and 271mV, respectively, and a maximum current density of 10.5 mA.cm-2 were obtained. Nickel and cobalt additions were evaluated to improve ORR and OER activity. Catalyst with MnxNiyCozOt(1:0.5:0.5) composition performed better than other samples and had the highest surface area (172.06 m2g-1), ORR and OER potentials of 463mV and 700mV, respectively, and current density of 96 mA.cm-2.