Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü

Transkript

1 Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü Nano Malzemeler ve Teknolojiler Enerji Alanında Nanoteknoloji Prof. Dr. Hatem AKBULUT Yrd. Doç. Dr. Mehmet Oğuz GÜLER

2 Güneş Enerjisinden Faydalanma H 2 O O 2 CO 2 şeker Doğal fotosentez C Su ısıtma C Isı motorları ile elektrik üretimi Güneş ile Elektrik.001 TW PV $0,30/kWh w/o depolamada Güneş ile Yakıt 1.4 TW güneş yakıtı (biyokütle) Güneş ve Termal 0,002 TW 1.5 TW elektrik $0,03-$0,06/kWh (fosil) 11 TW fosil esaslı yakıtlar (2013 değerleri ile) 2050 de ~ 14 TW artacak 2 TW Su ısıtma

3 Verim % Maliyeti 100 $0.10/W p $0.20/W p $0.50/W p $1.00/W p $3.50/W p Maliyet $/m 2 Elektrik gücü: $1.00/W p = $0.05/kWh Birincil Güç : $0.20/W p = $0.01/kWh depolama maliyetleride dahil Modül maliyeti dengesi $ /kW-saat

4 Güneş Enerjisi Dönüşümü Yakalama Dönüşüm 100 nm-100 µm e - h + Depolama

5 Güneş Duyarlı Boya d Fotosentez etkisi için boya ve yarıiletken nanokristaller O ( O ) n polimer donör MDMO-PPV Fulleren akseptör PCBM O OMe Ucuz üretim, şekilden bağımsız üretim

6 + Nanoyapılı Güneş Paneli Şebekesi glass transparent electrode nm metal electrode

7 Ultra-yüksek Verime Sahip Güneş Panelleri Isı kaybı Metal 3 V hot carriers Substrate Çok zengin bir tabaka zincirine sahip paneller Çoklu yapı

8 Depolama: Elektrokimyasal Enerji Güç Park Kavramı Fuel Production Distribution Storage

9 Yoğunlaştırılmış Sistem

10 Güneş Destekli Enerji Depolama chlamydomonas moewusii 10 µ Fotosistem II hidrojenez 2H + + 2e - H 2 oksidasyon 2 H 2 O 4e - indirgenme CO 2 O 2 Kat 4H + Kat HCOOH CH 3 OH H 2, CH 4

11 Güneş Paneli Kurulabilecek Alanlar 3 TW

12 Nano Bilim yoluyla Malzeme Özelliklerinin Kontrolü biyolojik fiziksel mekanik Karmaşık yapıların kendi kendine oluşumu O 2 H 2 Su ve Güneşten hidrojen eldesi - + %10-18 arasında elde edilmiş laboratuar verimi.

13 Şeffaf elektrot İletken cam Nano Bilim ve Güneş Enerjisi Fotonların, elektronların ve moleküllerin işlenebilmesi TiO 2 nanokristalleri adsorbe boya N Yapay fotosentez Sıvı elektrolit kuantum dot güneş panelleri Doğal fotosentez Nano yapılı termoelektrikler Nano mimari Yukarıdan-aşağı litografi Aşağıdan-yukarı moleküler oluşum karakterizasyon Tarama propları elektronlar, nötronlar, x-ışınları Teori ve Modelleme Fonksiyonel olarak teoride atomu simüle edebilecek bilgisayarlar Enerji konusu çoklu disiplinler ile çalışılmalı

14 Neden Güneş Enerjisi?... Geleceğin enerjisi gereksinimleri için güneş tek çözümdür - fosil, nükleer ve rüzgar enerji kapasiteleri azalmaktadır... - güneşin bir saatlik enerjisi. dünyadaki yıllık enerji kullanımından çok daha fazladır. - sera gazları üretmez. - jeo-politik sınırları ortadan kaldırır. Tam potansiyeli ile günlük kullanımı arasındaki fark çok fazladır - Teknolojideki gelişmeler bu açığı kapayacaktır - Bunun yanı sıra geri ödeme sürelerinde de düşüşler meydana gelecektir Çok disiplinli bir çalışma grubu gerektirir; fizik, kimya, biyoloji, malzeme bilimi, nanoteknoloji Bunun yanı sıra temel ve uygulama bilimlerde çalışma gruplarına entegre edilmelidir

15 Enerji Depolama Mikron boyutlu elektrot malzemelerinde meydana gelmeyen çeşitli reaksiyonların nano boyutlu malzemelerde kolaylıkla gerçekleşebilmesi. Küçülen tane boyutuna bağlı olarak taneler arasında lityum iyonlarının geçişinin artması sağlanır. Partikül içerisindeki elektronların taşınması da tane boyutunun küçülmesi ile artar. Geniş yüzey alanına bağlı olarak elektrolit ile temas alanı daha da artar ve buna bağlı olarak ise ara yüzeyde daha yüksek bir lityum-iyon akışı gerçekleşir. Tane boyutunun küçülmesi ile lityum iyonlarının ve elektronların kimyasal potansiyellerinde de gelişmeler gözlemlenir. Katı çözeltilerin oluştuğu bileşim aralığı nano taneler için daha ayrıntılıdır ve lityum ile bileşik yapmanın bir sonucu olarak ortaya çıkan gerilmelere karşı gösterilen direnç ise daha yüksektir.

16 Enerji Depolama

17 Enerji Depolama

18 Pil Elektrokimyası REDOKS Reaksiyonları Anotta elektron kaybı ile meydana gelen oksidasyon. Katotta elektron kazanımı ile meydana gelen indirgenme reaksiyonları. Elektron Akışı Anot Tuz Köprüsü Katot Elektrolit Elektrolit

19 Pillerin Tarihçesi The Voltaik Hücreler Alessandro Volta tarafından 1800 de geliştirilmiştir. Tuzlu su emdirilmiş bezlere sarılmış çinko ve bakır plakalar Teknik Eksiklikler: Bezlerin parçalanması ve kısa devrelerin meydana gelmesi Kısa pil ömrü Daniel Hücresi John Daniell tarafından 1836 da geliştirilmiştir. Kurşun Asit Hücreleri Gaston Planté tarafından 1859 da geliştirilmiştir. İlk şarj edilebilir pil. Çinko-Karbon Hücresi Carl Gassner tarafından 1887 de geliştirilmiştir.

20 Pillerin Tarihçesi Nikel-Kadmiyum Pili 1899 da Waldmar Jungner tarafından geliştirilmiştir da ise Neumann ticari hale getirilmiştir. Alkalin Piller 1955 de Lewis Urry tarafından geliştirilmiştir. Nikel Metal Hidrit Piller NiMH pilleri düşük enerji ihtiyacına sahip olan uygulamalar için 1989 da piyasaya sürülmüştür. Lityum ve Lityum İyon Piller İlk Lityum pil 1970 lerde piyasaya sürülmüştür. İlk Lityum İyon Pil ise 1991 de Sony tarafından üretilmiştir. Gümüş-Çinko Pilleri Pahalı ancak mükemmel pil ömrü.

21 Pillerdeki Temel Konular Enerji yoğunlukları Kütlesel (Wh/kg) daha hafif Hacimsel (Wh/l) daha küçük Güç (W) Potansiyel (V) Akım (I) Yeniden şarj etme şartları ve sınırları Hücrenin korunması Hücrelerin üretimi Kapasiteyi etkileyen faktörler Optimize Edilmiş Pil

22 Nikel Kadmiyum (Ni-Cd) 1.2V, 400 Döngü Ucuz Basit Şarj İşlemleri Düşük enerji yoğunluğu Hafıza Etkisi Yüksek oranda kendi kendine deşarj (% 20 / ay) Toksik Nikel Metal Hidrür (Ni-MH) 1.2V, 600 Döngü Basit şarj işlemleri, Yüksek oranda kendi kendine deşarj (% 30 / ay) Azaltılmış hafıza etkisi Daha az toksik Gümüş-Çinko (Ag-Zn) 1.5 V, 300 Döngü Düşük enerji yoğunluğu Tekrar şarj edilmesi zor. Lityum İyon (Li-iyon) esaslı 3.5V, Döngü İkincil Piller Daha Hafif Çok yüksek enerji yoğunlukları Hafıza etkisi yok - düşük oranda kendi kendine deşarj (% 30 / ay) Daha düşük toksiklik Daha pahalı Daha karmaşık şarj işlemleri Hacimsel Enerji Yoğunluğu (Wh/l) Enerji Yoğunlukları Li-iyon İnce Film Li / Li-iyon 300 Ni-Cd Lipolimer 200 Ni- 100 MH Daha Hafif Pb-asit Kütlesel Enerji Yoğunluğu (Wh/kg)

23 İkincil Piller Pil Tipi Voltaj Enerji Yoğunluğu Deşarj Süresi (saat) (V) (Wh/kg) (Wh/l) 5mmx1mmx1mm Ni-Cd Ni-MH Ag-Zn Li-iyon Li-polimer İnce Film Li-iyon Mevcut Yatay Hücreler için Enerji Yoğunluklarının Karşılaştırılması Enerji (mwh) Lityum iyon İnce Film birim boyut (mm) Teorik olarak en yüksek değerler İnce filmlerde elde edilir. Pratik uygulamalarda ise şarj/deşarj hızını bağlı olarak kapasite değişir.

24 Sallanan İskemle - e - e - + Li + şarj e - e - Li + deşarj Li x C 6 Grafit Li + ileten elektrolit LiCoO 2 Şarj durumunda elektrotlardaki reakisyonlar: Katodun Oksidasyonu : LiCoO 2 Li 1-x CoO 2 + xli + + xe - Anodun İndirgenmesi : xli + + xe - + C 6 LiC 6

25 Milyar $ Pil Pazarı Maksimum Hız: 125 mph Hızlanma: 0-60 in 3.7 sec Katettiği mesafe: 244 mil Fiyat: $110,000

26 Elektrot Malzemeler (Katot) Hedef: tabakalı ve 3D yapılar (Li iyon konuklama bölgeleri olan) LiNiO 2 LiNi 1-y Co y O 2 LiMnO 2 LiMn 2 O 4 (spinel structure) LiFePO 4 (olivine structure) 2B Yapılar 3B Yapılar Ucuz ve Toksik Değiller!!!

27 Elektrot Malzemeler (Katot) Mn Esaslı Elektrotlar üzerine ilgi artmıştır - LiMnO 2 and LiMn 2 O 4 Ucuz = Maliyeti Co ın 1% i Emniyetli ve Toksik Değil Çok daha yüksek kapasite İdeale yakın bileşiği= LiMn 0.5 Ni 0.5 O 2 Mn 4+ oktahedral bölgelere Ni yerleşir tabakalı yapıyı stabilze eder ½ Ni için elektrokimya Ni 2+ Ni e - Sentezlenmesi kolay

28 Elektrot Malzemeler (Katot) Önemli Çalışma: 0.3Li 2 MnO 3 0.7LiMn 0.5 Ni 0.5 O 2 - Yüksek Teorik Kapasite - Li 2 MnO 3 λmno 2 + Li 2 O (H + exchange) xli 2 MnO 3 (1-x)LiMn 0.5 Ni 0.5 O 2 composite or Li[Li x/(2+x) Mn (1+x)/(2+x) Ni (1-x)/(2+x) ]O 2 Discharge Capacity / mahg Yeni Kompozit Tabakalı Li x Mn y O 2 LiMn 2 O 4 Spineli LiCoO Cycle Number Yüksek kapasite ~ 300mAhg -1 = Li + = (Mn / Ni)O 6

29 Elektrot Malzemeler (Anot) ZnO TiO 2 SnO 2

30 Elektrot Malzemeler (Anot) Karbon için şarj durumunda elektrotlardaki reakisyonlar ; Katodun oksidasyonu : LiCoO 2 Li 1-x CoO 2 + xli + + xe - Anodun indirgenmesi : xli + + xe - + C 6 LiC 6 1 A. sn x Kütlesel Kapasite mol 372mAh / gr 3 3,6x10 sn x12,011 gr saat mol SnO 2 için şarj durumunda elektrotlardaki reaksiyonlar: Katodun oksidasyonu : LiCoO 2 Li 1-x CoO 2 + xli + + xe - Anodun indirgenmesi : 4Li + + 4e - + SnO 2 2Li 2 O + Sn 1 gr SnO 2 4 gr Karbon 4.4Li + + 4e - + Sn Li 22 Sn 5 KütleselKapasite A. sn 8.4x96500 mol 3 3,6x10 sn x150,71 gr saat mol 1497mAh / gr

31 Elektrot Malzemeler (Anot) Avantajlar; 4 kat daha yüksek spesifik kapasite. Ucuz. Dezavantajları; Lityum ile reaksiyon sonrası yüksek hacimsel genleşme (%400). Hacimsel Genleşmeye bağlı olarak pul pul dökülme

32 Elektrot Malzemeler (Anot) Avantajlar; Yaklaşık 2,5 kat daha yüksek spesifik kapasite. Ucuz. Dezavantajları; Lityum ile reaksiyon sonrası yüksek hacimsel genleşme (% 300). Hacimsel Genleşmeye bağlı olarak pul pul dökülme

33 Elektrot Malzemeler (Anot) Karbon için şarj durumunda elektrotlardaki reakisyonlar ; Katodun oksidasyonu : LiCoO 2 Li 1-x CoO 2 + xli + + xe - Anodun indirgenmesi : xli + + xe - + C 6 LiC 6 1 A. sn x Kütlesel Kapasite mol 372mAh / gr 3 3,6x10 sn x12,011 gr saat mol ZnO için şarj durumunda elektrotlardaki reaksiyonlar: Katodun oksidasyonu : LiCoO 2 Li 1-x CoO 2 + xli + + xe - Anodun indirgenmesi : TiO 2 + (Li + +e ) LiTiO 2 KütleselKapasite 3,6x10 3 A. sn 1x96500 mol sn x79,866 gr saat mol 388mAh / gr

34 Elektrot Malzemeler (Anot) Avantajlar; Teorik kapasite değerlerine yakın deneysel değerler (C ile karşılaştırıldığında SWCNT ile 270 mah/gr, grafit ile maksimum 170 mah/gr lık değer). Li ile bileşik yapma sonrası düşük genleşme. Dezavantajları; Düşük Elektronik İletkenlik