Faz değiştiren malzemelerin nano karbon küreler ile enkapsüle edilmesi ve batarya termal yönetim sistemleri için potansiyelinin araştırılması

Abstract

Enerji elde etme yöntemlerinin artmasının ardından birçok problemi beraberinde gün yüzüne çıkardı. Bu problemlerden biri olarak elde edilen enerjinin verimli kullanılmasıdır. Bu kapsamda enerjinin verimliliğini arttırmak ve etkin kullanımını sağlamak amacıyla batarya sistemleri tasarlanmaktadır. Bataryanın ticari olarak kullanılmaya başlamasıyla elde edilen enerji taşınabilir aletler, elektrikli araçlar ve sanayi gibi alanlarda verimliliği artmaktadır. Batarya sistemlerinde ticari alanlarda en yaygın kullanılan batarya türü Lityum İyon bataryalardır. LIB bataryaların yüksek enerji yoğunluğu, uzun çevrim ömrü, düşük bakım gereksinimi, düşük maliyet, düşük ağırlık ve daha az kendiliğinden deşarj olması batarya sistemlerinde tercih edilmesinin önünü açmaktadır. Fakat batarya paketlerinde kullanımı etkileyebilecek unsurlar göze çarpmaktadır. Bu unsurların başında termal kaçak oluşumu gelmektedir. Batarya paketinin optimum sıcaklık değerleri dışında kullanımı bataryanın ömrünü azaltmakta ve yüksek sıcaklıklara çıktığında termal kaçaklara sebep olmaktadır. Batarya paketinin termal kaçaklarına yol açacak olan sebeplerine çözüm üretebilmek için BTYS geliştirildi. BTYS bataryanın ömrünü ve verimliliğini arttıracak batarya soğutma sistemlerini içerisinde barındırmaktadır. Bu soğutma sistemler sıvı soğutma, hava soğutma, ısı borusu ile soğutma ve FDM soğutma sistemleri olarak tasarlanmaktadır. Son dönemlerde yapılan çalışmalarda FDM ile soğutma sistemi geleneksel soğutma sistemlerine göre daha üstün özellikler sergilemektedir. FDM seçiminde batarya paketine uyumluluğu ve üstün özellikleri göz önüne alınarak faz değişim sıcaklığı 35°C olan parafin RT35HC seçilerek çalışma devamında kullanılmak üzere temin edildi. Bu çalışmada karbonun yüksek termal iletkenliği ve gözenekli hacminin FDM enkapsüle işlemi için uygun büyüklüklerde olması tercih edilmesinin üstün sebeplerindendir. Karbon nano küreler sentezlendi ve karakterizasyon işlemleri sonucunda 20 nm boyutlarında ve yüksek yüzey alanına sahip olduğu görüldü. Yüzey alanının yüksek olması karbon nano kürelerin enkapsüle işlemi sonrasında düşük miktarda karbon ve yüksek miktarlarda FDM kullanarak verimliliği arttırmaktadır. Bu kapsamda %30 karbon ve %70 FDM oranlarında malzeme kullanarak enkapsüle işlemi gerçekleştirildi. Bu tez çalışmasında boşluklu karbon nano kürelerin içerisine FDM enkapsüle yöntemi kullanılarak kompozit FDM tasarlandı. Tasarlanan kompozit FDM'nin karakterizasyon analizleri gerçekleştirildi.

Following the increase in the methods of obtaining energy, many problems have come to light. One of these problems is the efficient use of the energy obtained. In this context, battery systems are designed to increase the efficiency of energy and ensure its effective use. With the commercial use of the battery, the efficiency of the energy obtained increases in areas such as portable tools, electric vehicles and industry. In battery systems, the most widely used battery type in commercial areas is Lithium-Ion batteries. The high energy density, long cycle life, low maintenance, low cost, low weight and less self-discharge of LIB batteries pave the way for them to be preferred in battery systems. However, there are factors that may affect the use of battery packs. One of these factors is thermal runaway formation. The use of the battery pack outside the optimum temperature values reduces the life of the battery and causes thermal leakage when it reaches high temperatures. BTYS was developed to provide solutions to the causes of thermal leakage of the battery pack. BTYS includes battery cooling systems that will increase the life and efficiency of the battery. These cooling systems are designed as liquid cooling, air cooling, heat pipe cooling and FDM cooling systems. In recent studies, the FDM cooling system exhibits superior properties compared to conventional cooling systems. In the selection of FDM, paraffin RT35HC with a phase change temperature of 35°C was selected considering its compatibility with the battery pack and its superior properties. In this study, the high thermal conductivity of carbon and its porous volume in sizes suitable for the FDM encapsulation process are the superior reasons for its preference. Carbon nanospheres were synthesized and characterization showed that they were 20 nm in size and had a high surface area. The high surface area increases the efficiency by using low amounts of carbon and high amounts of FDM after the encapsulation process of carbon nanospheres. In this context, encapsulation process was carried out using 30% carbon and 70% FDM ratios. In this thesis, composite FDM was designed by using FDM encapsulation method into hollow carbon nanospheres. Characterization analysis of the designed composite FDM was carried out