Lityum-iyon pillerde nano yapılı LiFePO4/C ve LİMxFe(1-x)PO4/C katot materyallerinin sentezi

Abstract

Lityum-iyon pillerde kullanılan olivin LiFePO4 bileşiği tabakalı yapıya sahip LiCoO2 ve LiNiO2 bileşikleriyle kıyaslandığında, bol bulunan, ucuz ve çevre dostu olan alternatif bir katot aktif bileşiğidir. Bu avantajlarına rağmen, yüksek akım yoğunluğunda düşük deşarj kapasitesine sahip olması LiFePO4’ın ticarileşmesini engellemektedir. Düşük deşarj kapasitesinin en temel sebebi bileşiğin zayıf elektronik iletkenliğidir. Bu problemin üstesinden gelmek için sentez yönteminin optimizasyonu, tanecik boyutunun küçültülmesi, nanometre ölçeğinde yüzey kaplama, yüksek valense sahip metal kaplama, kristal yapıya katyon-anyon katkılama veya yüzeyin karbotermal kaplama ile iletken hale getirilmesi gibi birçok çalışma yapılmıştır. Bu çalışmada LiFePO4 bileşiğinin elektrokimyasal özelliklerinin geliştirilebilmesi için öncelikle kalsinasyon sıcaklığı, kalsinasyon süresi ve ısıtma-soğutma hızı olmak üzere üç parametre ile optimizasyon çalışması yapılmıştır. Karbon kaynağı olarak tannik asit, stearik asit, gallik asit, tartarik asit ve polietilen glikol organik bileşikleri kullanılarak LiFePO4 moleküllerinin yüzeyleri karbon ile kaplanmıştır. Ayrıca LiFePO4 bileşiğinin kristal yapısına Co2+, Ni2+, Mn2+ ve Ca2+katyonları ile katkılama işlemi gerçekleştirilmiştir. Isıl işlemler, karbon kaplama işlemleri ve katyon katkılama işlemleri olmak üzere üç temel yaklaşım ile yapılan çalışmalar sonucunda sentezlenen katot aktif materyalleri yapısal, morfolojik ve elektrokimyasal olarak karakterize edilmiştir. Yapısal karakterizasyon XRD, EDS, TGA ve hesaplanan kafes parametreleri ile morfolojik karakterizasyon SEM, HR-TEM ve BET ile, elektrokimyasal karakterizasyon ise galvanostatik şarj-deşarj testleri ile gerçekleştirilmiştir. Karbon kaplama işlemleriyle tannik asit ile kaplanarak sentezlenen LiFePO4-C (tannik asit) materyalinin, katyon katkılama işlemleriyle ise LiCo0,05Fe0,95PO4-C ve LiNi0,05Fe0,95PO4-C materyallerinin daha iyi elektrokimyasal performansa sahip oldukları sonuçlarına ulaşılmıştır.

Compared with layered LiCoO2 and LiNiO2 intercalation compounds, olivine LiFePO4 has the advantages of naturally abundant, low cost and less toxic and has attracted great attentions as an alternative cathode active compound for lithium ion batteries. Unfortunately, having low discharge capacity for high current intensities of LiFePO4 limits its commercial applications. The major reason for its low discharge capacity can be attributed to its intrinsically poor electronic conductivity. To overcome this problem, several strategies are implemented such as optimization of synthesis procedures, particle size minimization, surface coating in nanometric scales, coating with supervalent metal, cation-anion doping in crystal structure or making the surface conductive by carbothermal coating. In the present study, three parameters as being primarily calcination temperature, calcination time and heating-cooling rate are used for optimization work to improve electrochemical properties of LiFePO4 compound. The surfaces of the molecules of LiFePO4 were coated with carbon and as for the carbon source tannic acid, stearic acid, gallic acid, tartaric acid and polyethylene glycol organic compounds were used. Besides that, doping procedure with the cations of Co2+, Ni2+, Mn2+ and Ca2+ is implemented to the crystal structure of LiFePO4 compound. As the result of thermal procedures, coating procedures with carbon and cation doping procedures, synthesized cathode active materials are characterized by structural, morphological and electrochemically. Structural characterization is evaluated by XRD, EDS, TGA and calculated lattice parameters, morphological characterization is implemented by SEM, HR-TEM, BET and electrochemical characterization is implemented by galvanostatic charge-discharge tests. The results indicate that LiFePO4-C material synthesized by coating tannic acid with the procedures of carbon coating has better electrochemical performance and that LiCo0,05Fe0,95PO4-C and LiNi0,05Fe0,95PO4-C materials synthesized by doping procedures have better electrochemical performance.