Li-iyon pillere uygun nanokristal SnO2 kaplamaların incelenmesi

Abstract

Son yirmi yıl içerisinde lityum iyon piller şarj edilebilir pil endüstrisinde bir çığır açmıştır. Bununla birlikte, şarj edilebilir pil pazarı özellikle elektronik, iletişim ve hibrit araç sektörleri için geniş ve hızlı bir şekilde büyümeye devam etmektedir. Taşınabilir bilgisayarların ve tüketici elektroniği satışlarının artması ve motorlu araçlar için çıkartılan yakıt ekonomisi politikaları lityum iyon piller üzerine yapılan araştırmaları ve araştırma ödeneklerini daha da artırmaktır. Halen birçok sorunun bulunmasına karşılık, lityum iyon piller günümüzde düşük maliyetli, zehirli olmayan ve tekrar kullanılabilirlik gibi üstün özellikleri sunan en gözde enerji depolama kaynaklarıdır. Özellikle toplumumuzun gündelik yaşamında toplumsal hareketliliğin yanı sıra tüketici elektroniklerinin de gün geçtikçe daha büyük önem kazanmasından dolayı daha güvenilir ve hafif enerji kaynaklarına olan gereksinimleri de artırmaktadır.Nanokristal malzemelerin lityum iyon pillerde kullanımı daha kısa difüzyon mesafelerine bağlı olarak lityumun daha hızlı bileşik yapması tersinir reaksiyon gösterme niteliklerini artırarak sonuçta daha yüksek kapasite ortaya çıkarır. Çok yüksek teorik enerji kapasitesine sahip olan SnO2, Li-iyon pillerde anot malzemesi olarak en önemli adaylardan bir tanesidir. Bu tez çalışmasında kalay oksit ince filmler, 3 inçlik %99,9 safiyette kalay oksit hedef malzemesi kullanılarak radyo frekanslı manyetik sıçratma yöntemi ile paslanmaz çelik ve silikon wafer altlıklar üzerine kaplanmıştır. R.f. gücü ve oksijen kısmi basıncının film gerilmesine, kimyasal bileşime, mikroyapıya, yüzey pürüzlülüğüne, levhasal özdirence, taşıyıcı yoğunluğuna ve nihai olarak pil performansına olan etkileri temassız yüzey profilometresi, fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi (FTIR), X-ışınları kırınım ölçeri, alan emisyonlu taramalı elektron mikroskobu (FESEM), atomik güç mikroskobu, 4 noktalı elektriksel özdirenç yöntemleri, Hall etkisi testleri ve elektrokimyasal testler kullanılarak araştırılmıştır.Elde edilen sonuçlar film gerilmelerinin, kimyasal bileşimin, tane boyutunun, tercihli yönlenmenin, mikroyapının, yüzey pürüzlülüğünün, levhasal özdirencin, taşıyıcı konsantrasyonunun r.f. gücü ve oksijen kısmi basıncı ile değiştirilebileceğini göstermiştir. Pil performansı testleri ise artan güce ve oksijen kısmi basıncına bağlı olarak üretilmiş olan anot elektrotların çevrimsel ömrünü arttığını göstermiştir.

Lithium ion batteries have revolutionized the rechargeable battery industry over the last 20 years. However, the present market for rechargeable batteries are in the large and rapidly growing sectors on electronics, communications and hybrid vehicles. Increasing the worldwide sales of laptop computers, consumer electronics and laws on fuel efficiency policies have led to research and capital investment in lithium ion batteries. Although there are still too many challenges that should have to be overcome, the rechargeable batteries offer a cost effective, non-toxic and reusable source of energy for today?s world. As our society depends more on consumer electronics with higher mobility, there is still an increasing demand on the reliable light weight energy sources.The use of nanocrystalline materials allows for a faster lithium insertion/extraction due to the shorter diffusion pathways, resulting in a higher power density. SnO2 is an interesting candidate for the use as anode material in Li ion batteries since it has a high theoretical specific discharge capacity. In this thesis, tin oxide films were deposited onto stainless steel as well as Si(100) substrates by means of radio frequency magnetron sputtering with a 3-inch SnO2 target of 99.9% in purity. The effects of r.f. power and oxygen partial pressure on the film stress, chemical composition, grain size, texture orientation, microstructure, surface roughness, sheet resistance, carrier concentration and finally battery performance were studied via non-contact surface profiler, Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), X-ray diffractometer, field emission scanning electron microscopy, atomic force microscopy, 4-point probe resistivity, Hall effect and electrochemical techniques.The results showed that the film stress, chemical composition, grain size, texture orientation, microstructure, surface roughness, sheet resistance, carrier concentration could be changed via r.f. power and oxygen partial pressure. The battery performance tests also showed that increasing power and oxygen partial pressure improves the cyclability of the anode electrodes.