TÜBİTAK–2209-A ÜNİVERSİTE ÖĞRENCİLERİ ARAŞTIRMA
PROJELERİ DESTEĞİ PROGRAMI
Başvuru formunun Arial 9 yazı tipinde, her bir konu başlığı altında verilen açıklamalar göz önünde
bulundurularak hazırlanması ve ekler hariç toplam 20 sayfayı geçmemesi beklenir (Alt sınır
bulunmamaktadır). Değerlendirme araştırma önerisinin özgün değeri, yöntemi, yönetimi ve yaygın etkisi
başlıkları üzerinden yapılacaktır.
ARAŞTIRMA ÖNERİSİ FORMU
.....Yılı
… Dönem Başvurusu
2209/A ÜNİVERSİTE ÖĞRENCİLERİ ARAŞTIRMA PROJELERİ DESTEĞİ PROGRAMI
ARAŞTIRMA ÖNERİSİ FORMU
A. GENEL BİLGİLER
Başvuru Sahibinin Adı Soyadı: TAHA SİVRİKAYA, RIDVAN KEMAL KARABULUT, MURAT AKSU
Araştırma Önerisinin Başlığı: Development of NASICON for Sodium ion Battery
Danışmanın Adı Soyadı: Dr. Öğretim Üyesi RAMİZ GÜLTEKİN AKAY
Araştırmanın Yürütüleceği Kurum/Kuruluş: KOCAELI UNIVERSITY
ÖZET
Türkçe özetin araştırma önerisinin (a) özgün değeri, (b) yöntemi, (c) yönetimi ve (d) yaygın etkisi hakkında bilgileri
kapsaması beklenir. Bu bölümün en son yazılması önerilir.
Özet
The sodium-ion battery (NIB or SIB) is a type of rechargeable battery. similar with lithium-ion battery but using
sodium ions (Na+) as the charge carriers.
Sodium-ion battery cells consist of a cathode based on a sodium containing material, an anode (not necessarily
a sodium-based material) and a liquid electrolyte containing dissociated sodium salts in polar protic or aprotic
solvents.
Some of the advantages that sodium ion batteries have are as follows; price advantage environmentally friendly
more safety.
Some methods have been considered for the development of sodium ion batteries the crystal structure of
polyanionic compounds is more stable and has a higher output voltage. For this reason, it was thought that
polyanionic compounds would improve sodium ion batteries.
Prussian blue analogs have many active sites and stable structure.
Solid-state electrolytes can provide advantages of superior thermal stability, lower flammability, improved
durability and battery design simplicity, over the conventional organic liquid electrolytes, even though the roomtemperature ionic conductivity in solid electrolytes is still lower than that in liquid electrolytes.
Due to these features, one of the improvement methods is the addition of solid electrolyte.
Anahtar Kelimeler: Sodium-ion battery, Polyanionic compounds, Solid-state electrolytes
1. ÖZGÜN DEĞER
1.1. Konunun Önemi, Araştırma Önerisinin Özgün Değeri ve Araştırma Sorusu/Hipotezi
Araştırma önerisinde ele alınan konunun kapsamı ve sınırları ile önemi literatürün eleştirel bir değerlendirmesinin
yanı sıra nitel veya nicel verilerle açıklanır.
Özgün değer yazılırken araştırma önerisinin bilimsel değeri, farklılığı ve yeniliği, hangi eksikliği nasıl gidereceği
veya hangi soruna nasıl bir çözüm geliştireceği ve/veya ilgili bilim veya teknoloji alan(lar)ına kavramsal, kuramsal
ve/veya metodolojik olarak ne gibi özgün katkılarda bulunacağı literatüre atıf yapılarak açıklanır.
Önerilen çalışmanın araştırma sorusu ve varsa hipotezi veya ele aldığı problem(ler)i açık bir şekilde ortaya konulur.
Lithium-ion batteries are actively used today. Lithium ion batteries have some disadvantages. In the near future,
it will become difficult to supply as the obtained resources will be exhausted . For this reason, the orientation to
sodium ion batteries has increased.The main reasons why sodium ion batteries are preferred are as follows; It is
environmentally friendly, more economical and safer.The development of sodium ion batteries is a process that is
currently being processed.Some development methods have been found in this process.Some of these are ; The
use of polyanionic compounds is preferred because it is more stable and has a higher output voltage, but other
methods have been considered because the mass of the materials is large.Prussian blue was used in sodium ion
batteries.
2
2209/A ÜNİVERSİTE ÖĞRENCİLERİ ARAŞTIRMA PROJELERİ DESTEĞİ PROGRAMI
ARAŞTIRMA ÖNERİSİ FORMU
Prussian blue has many active sites and stable structures, but the presence of gaps in the structure affects the
migration of sodium ions and reduces the performance of the battery.
Another option that is thought to improve sodium ion batteries is the addition of solid electrolytes. The development
of solid-state electrolytes suggests a bright future direction: all solid-state sodium ion batteries can be fully used
to power all-electric road vehicles, portable electronic devices and large-scale grid support.For these reasons, the
project will focus on the development of batteries using solid electrolytes.[1]
1.2. Amaç ve Hedefler
Araştırma önerisinin amacı ve hedefleri açık, ölçülebilir, gerçekçi ve araştırma süresince ulaşılabilir nitelikte olacak
şekilde yazılır.
In view of the safety issue, all-solid-state SIB (Fig. 1 (b): rigid battery and Fig. 1 (c): flexible battery) is regarded
as the next generation battery, as it employs solid-state electrolytes rather than liquid organic electrolyte, which
exhibits a superior thermal/chemical stability, lower flammability, improved durability, and enhanced
electrochemical stability [2,3,4,5,6,]. Moreover, the battery cell design would be simplified with solid electrolyte,
as it does not need the additional containment or separator components for battery assembling, and usually
provides a good mechanical performance
Generally, solid-state electrolytes could be categorized into inorganic ceramic/glass-ceramic electrolyte, organic
polymer electrolyte, and ceramic-polymer composite electrolyte.
Solid-state NASICON electrolytes with very good mechanical properties and high ionic conductivity are
successfully tested in terms of electrochemical behavior by using the cell configuration: Na/NASICON/FePO4.
In this work, we propose a processing methodology, based on the combination of tape-casting and low
temperature hot-pressing, to develop ceramic NASICON electrolytes with formula Na3.16Zr1.84Y0.16Si2PO12
towards the attainment of solid-state sodium batteries operating at room temperature.
3
2209/A ÜNİVERSİTE ÖĞRENCİLERİ ARAŞTIRMA PROJELERİ DESTEĞİ PROGRAMI
ARAŞTIRMA ÖNERİSİ FORMU
2. YÖNTEM
Araştırma önerisinde uygulanacak yöntem ve araştırma teknikleri (veri toplama araçları ve analiz yöntemleri dahil)
ilgili literatüre atıf yapılarak açıklanır. Yöntem ve tekniklerin çalışmada öngörülen amaç ve hedeflere ulaşmaya
elverişli olduğu ortaya konulur.
Yöntem bölümünün araştırmanın tasarımını, bağımlı ve bağımsız değişkenleri ve istatistiksel yöntemleri kapsaması
gerekir. Araştırma önerisinde herhangi bir ön çalışma veya fizibilite yapıldıysa bunların sunulması beklenir.
Araştırma önerisinde sunulan yöntemlerin iş paketleri ile ilişkilendirilmesi gerekir.
NASICON powder with the stoichiometric composition Na3.16Zr1.84Y0.16Si2PO12 has been synthesized using
Na2CO3, (NH4) H2PO4, SiO2 and fully stabilized zirconia powder (8 mol% YSZ from Tosoh) as precursors. The
synthesis process consists on ball-milling stoichiometric amounts of the precursors in ethanol at 350 rpm for 24
h at room temperature using 5 mm diameter balls in a 5:1 ratio with respect to the weight of the powders.
Afterwards, the ethanol is removed at 60ºC overnight. The obtained powder is then preheated at 500ºC for 4h,
followed by 800ºC for 4 h, and calcined at 1100ºC for 4 h in an air atmosphere [7]. The use of YSZ as precursor
instead of ZrO2 is proposed in order to prevent grain growth and Zr precipitation at grain boundaries, promoting
total ionic conductivity of the ceramic electrolytes.
To obtain solid-state electrolytes with enhanced microstructure in terms of mechanical and electrical properties,
in this work we propose the combination of tape-casting and low-temperature hot-pressing, as -described in Fig.
1. For the slurry preparation, a cocktail composed by 10 g of calcined NASICON powder, butyl phosphate (BP)
as a dispersant, benzyl butyl phthalate (BBP) as a binder and 12 mL of solvent (ethanol and methyl ethyl
ketone; 50:50) is prepared. To prevent agglomeration and improve miscibility, 0.6 wt% of polyethylene glycol
(PEG-10000) and 7.2 wt% of polyvinyl butyral are used as plasticizer and binder, respectively. The cocktail
composition, summarized in Table 1, was optimized according to previous experience [8,9]. The cocktail is ballmilled at room temperature in an agatha jar at 350 rpm for 22 h using 5 mm diameter balls in a 1:1 ratio with
respect to the weight of the NASICON powders. Using a doctor blade, the slurry is tape-casted with a thickness
of 1.5 mm on a Mylar foil and dried slowly at open in air for 24 h. The dried material is then placed in a mould
4
2209/A ÜNİVERSİTE ÖĞRENCİLERİ ARAŞTIRMA PROJELERİ DESTEĞİ PROGRAMI
ARAŞTIRMA ÖNERİSİ FORMU
that is uniaxially pressed at 80 kN for 30 min at 120ºC. Using this approach, pellets 15 mm diameter and
approximately 1.1 mm thickness are obtained. Finally, the debinding and the sintering processes are carried out
by applying a temperature ramp of 1.5ºC/min until reaching 1200ºC, and then remaining at this temperature for
10 h. To prevent sodium and phosphorus evaporation, pellets are covered with NASICON powders during
sintering. Sintered pellets, 14 mm diameter and about 1 mm thick, are dried in vacuum at 80ºC overnight and
stored in argon atmosphere until used. Fig. S1 in supplementary information presents a picture of the material
obtained during all steps involved by the fabrication process described in Fig. 1 for the all-solid-state
electrolytes, where shrinkage is evident after sintering.[10]
5
2209/A ÜNİVERSİTE ÖĞRENCİLERİ ARAŞTIRMA PROJELERİ DESTEĞİ PROGRAMI ARAŞTIRMA ÖNERİSİ FORMU
PROJE YÖNETİMİ
3
3.1 İş- Zaman Çizelgesi
Araştırma önerisinde yer alacak başlıca iş paketleri ve hedefleri, her bir iş paketinin hangi sürede gerçekleştirileceği, başarı ölçütü ve araştırmanın başarısına katkısı “İşZaman Çizelgesi” doldurularak verilir. Literatür taraması, gelişme ve sonuç raporu hazırlama aşamaları, araştırma sonuçlarının paylaşımı, makale yazımı ve malzeme alımı
ayrı birer iş paketi olarak gösterilmemelidir.
Başarı ölçütü olarak her bir iş paketinin hangi kriterleri sağladığında başarılı sayılacağı açıklanır. Başarı ölçütü, ölçülebilir ve izlenebilir nitelikte olacak şekilde nicel veya
nitel ölçütlerle (ifade, sayı, yüzde, vb.) belirtilir.
İŞ-ZAMAN ÇİZELGESİ (*)
İP
No
1
İş Paketlerinin Adı ve Hedefleri
Syntesizing NASICON powder
(stoichiometric composition
Na3.16Zr1.84Y0.16Si2PO12) from
Na2CO3, (NH4) H2PO4, SiO2 and
fully stabilized zirconia powder The
obtained powder is then preheated
at 500ºC for 4h, followed by 800ºC
for 4 h, and calcined at 1100ºC for 4
h in an air atmosphere .
Kim(ler) Tarafından
Gerçekleştirileceği
Zaman Aralığı
(..-.. Ay)
Yürütücü: Dr. Öğr.
Üyesi Ramiz Gültekin
Akay
Lisans öğrencileri:
Taha Sivrikaya
Rıdvan Kemal
Karabulut
0.5
Başarı Ölçütü ve Projenin Başarısına Katkısı
Obtaining a cocktail composed by 10 g of calcined
NASICON powder, butyl phosphate (BP) as a dispersant,
benzyl butyl phthalate (BBP) as a binder and 12 mL of
solvent (ethanol and methyl ethyl ketone; 50:50) for
producing Nasicon solid electrolyte
Murat Aksu
Yürütücü: Dr. Öğr.
Üyesi Ramiz Gültekin
Akay
2
Tape-casting and low temperature
hot-pressing Nasicon cocktail
Lisans öğrencileri:
Taha Sivrikaya
Rıdvan Kemal
Karabulut
0.5
pellets ;15 mm diameter and approximately 1.1 mm
thickness are obtained
Murat Aksu
6
2209/A ÜNİVERSİTE ÖĞRENCİLERİ ARAŞTIRMA PROJELERİ DESTEĞİ PROGRAMI ARAŞTIRMA ÖNERİSİ FORMU
Yürütücü: Dr. Öğr.
Üyesi Ramiz Gültekin
Akay
3
Debinding and the sintering pellets
covered with Nasicon powder
Lisans öğrencileri:
Taha Sivrikaya
Rıdvan Kemal
Karabulut
0.5
Obtained pellets, 14 mm diameter and about 1 mm
thick,
Murat Aksu
4
5
(*) Çizelgedeki satırlar ve sütunlar gerektiği kadar genişletilebilir ve çoğaltılabilir.
7
2209/A ÜNİVERSİTE ÖĞRENCİLERİ ARAŞTIRMA PROJELERİ DESTEĞİ PROGRAMI
ARAŞTIRMA ÖNERİSİ FORMU
3.2 Risk Yönetimi
Araştırmanın başarısını olumsuz yönde etkileyebilecek riskler ve bu risklerle karşılaşıldığında araştırmanın
başarıyla yürütülmesini sağlamak için alınacak tedbirler (B Planı) ilgili iş paketleri belirtilerek ana hatlarıyla aşağıdaki
Risk Yönetimi Tablosu’nda ifade edilir. B planlarının uygulanması araştırmanın temel hedeflerinden sapmaya yol
açmamalıdır.
RİSK YÖNETİMİ TABLOSU*
İP
No
Risk Yönetimi (B Planı)
En Önemli Riskler
1
2
(*) Tablodaki satırlar gerektiği kadar genişletilebilir ve çoğaltılabilir.
3.3. Araştırma Olanakları
Bu bölümde projenin yürütüleceği kurum ve kuruluşlarda var olan ve projede kullanılacak olan altyapı/ekipman
(laboratuvar, araç, makine-teçhizat, vb.) olanakları belirtilir.
ARAŞTIRMA OLANAKLARI TABLOSU (*)
Kuruluşta Bulunan Altyapı/Ekipman Türü, Modeli
(Laboratuvar, Araç, Makine-Teçhizat, vb.)
Projede Kullanım Amacı
Ball Mill
Milling to obtain NASICON powder
Hot press
To obtain solid-state electrolytes with enhanced
microstructure
Sintering furnace
Sintering pellets
(*) Tablodaki satırlar gerektiği kadar genişletilebilir ve çoğaltılabilir.
4.
YAYGIN ETKİ
Önerilen çalışma başarıyla gerçekleştirildiği takdirde araştırmadan elde edilmesi öngörülen ve beklenen yaygın
etkilerin neler olabileceği, diğer bir ifadeyle yapılan araştırmadan ne gibi çıktı, sonuç ve etkilerin elde edileceği
aşağıdaki tabloda verilir.
ARAŞTIRMA ÖNERİSİNDEN BEKLENEN YAYGIN ETKİ TABLOSU
Yaygın Etki Türleri
Bilimsel/Akademik
(Makale, Bildiri, Kitap Bölümü, Kitap)
Ekonomik/Ticari/Sosyal
(Ürün, Prototip, Patent, Faydalı Model, Üretim İzni,
Çeşit Tescili, Spin-off/Start- up Şirket, Görsel/İşitsel
Arşiv, Envanter/Veri Tabanı/Belgeleme Üretimi, Telife
Konu Olan Eser, Medyada Yer Alma, Fuar, Proje
Pazarı, Çalıştay, Eğitim vb. Bilimsel Etkinlik, Proje
Sonuçlarını Kullanacak Kurum/Kuruluş, vb. diğer
yaygın etkiler)
Önerilen Araştırmadan Beklenen Çıktı, Sonuç ve
Etkiler
The proposed processing methodology, based on the
combination of tape-casting and hot-pressing, allowed
obtaining all-solid-state NASICON electrolytes with
withstanding properties towards the development of
sustainable all-solid-state sodium batteries,
Solid-state sodium battery based on Na/
NASICON/FePO4 here proposed demonstrates to be
functional and a potential competitor for current all-solidstate batteries based on the electrochemistry of lithium.
the application scope of the proposed electrolytes
broadens not only to stationary applications but to
transport, where highly efficient and sustainable devices
are highly demanded.
8
2209/A ÜNİVERSİTE ÖĞRENCİLERİ ARAŞTIRMA PROJELERİ DESTEĞİ PROGRAMI
ARAŞTIRMA ÖNERİSİ FORMU
Araştırmacı Yetiştirilmesi ve Yeni Proje(ler)
Oluşturma
(Yüksek Lisans/Doktora Tezi, Ulusal/Uluslararası Yeni
Proje)
5. BÜTÇE TALEP ÇİZELGESİ
Bütçe Türü
Sarf Malzeme
Talep Edilen
Bütçe Miktarı
(TL)
5000 TL
Makina/Teçhizat 350000 TL
(Demirbaş)
Hizmet Alımı
-
Ulaşım
-
TOPLAM
Talep Gerekçesi
Purchasing zirconia, Na2CO3, NH4, H2PO4, SiO2
Purchasing Ball-Mill,Sintering Furnace and Hot Press
355000TL
NOT: Bütçe talebiniz olması halinde hem bu tablonun hem de TÜBİTAK Yönetim Bilgi Sistemi (TYBS) başvuru
ekranında karşınıza gelecek olan bütçe alanlarının doldurulması gerekmektedir. Yukardaki tabloda girilen bütçe
kalemlerindeki rakamlar ile, TYBS başvuru ekranındaki rakamlar arasında farklılık olması halinde TYBS ekranındaki
veriler dikkate alınır ve başvuru sonrasında değiştirilemez.
6. BELİRTMEK İSTEDİĞİNİZ DİĞER KONULAR
Sadece araştırma önerisinin değerlendirilmesine katkı sağlayabilecek bilgi/veri (grafik, tablo, vb.) eklenebilir.
7. EKLER
EK-1: KAYNAKLAR
[1] Yumei Wang, Shufeng Song, Chaohe Xu, Ning Hu, Janina Molenda, Li Lu,, Development of solid-state
electrolytes for sodium-ion battery–A short review, Nano Materials Science, Volume 1, Issue 2, 2019, Pages 91100, ISSN 2589-9651, https://doi.org/10.1016/j.nanoms.2019.02.007.
[2] M. Armand, J.-M. Tarascon,Building better batteries, Nature, 451 (2008), p. 652
[3] A. Hayashi, K. Noi, A. Sakuda, M. Tatsumisago, Superionic glass-ceramic electrolytes for room-temperature
rechargeable sodium batteries, Nat. Commun., 3 (2012), p. 856
[4] C. Zhao, L. Liu, X. Qi, Y. Lu, F. Wu, J. Zhao, Y. Yu, Y.S. Hu, L. Chen, Solid-state sodium batteries, Adv.
9
2209/A ÜNİVERSİTE ÖĞRENCİLERİ ARAŞTIRMA PROJELERİ DESTEĞİ PROGRAMI
ARAŞTIRMA ÖNERİSİ FORMU
Energy Mater., 8 (2018), p. 1703012
[5] Ismaila El Moctar, Qiao Ni, Ying Bai, Feng Wu, Chuan Wu, Hard carbon anode materials for sodium-ion
batteries Funct. Mater. Lett., 11 (2018), p. 1830003
[6] J.F. Oudenhoven, L. Baggetto, P.H. Notten, All-solid-state lithium-ion microbatteries: a review of various threedimensional concepts, Adv. Energy Mater., 1 (2011), pp. 10-33
[7] J.-M. Tarascon, M. Armand, Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries, in: Materials for
Sustainable Energy: A Collection of Peer-Reviewed Research and Review Articles from Nature Publishing Group,
2011, pp. 171–179.
[8] B. Levenfeld, A. Varez, Tape casting manufacturing of thick Li4Ti5O12 ceramic electrodes with high areal
capacity for lithium-ion batteries, J. Eur. Ceram. Soc. 41 (2021) 1025–1032,
https://doi.org/10.1016/J.JEURCERAMSOC.2020.07.049.
[9] E. Solera, T. Jardiel, M. Villegas, J.F. Fern´andez, Cer´amica y Vidrio Influencia de las diferentes etapas de
procesamiento sobre la microestructura de dispositivos multicapa basados en PZT, Bol. Soc. Esp. Cer´am. Vidr.
(2002) 41–42.
[10] Johanna M. Naranjo-Balseca, Cynthia S. Martínez-Cisneros, Bidhan Pandit, Alejandro Várez, High
performance NASICON ceramic electrolytes produced by tape-casting and low temperature hot-pressing:
Towards sustainable all-solid-state sodium batteries operating at room temperature, Journal of the European
Ceramic Society, Volume 43, Issue 11, 2023, Pages 4826-4836, ISSN 0955-2219,
https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2023.04.008.
10