Lityum iyon piller için Sn/SnO2/KNT kompozit anotlarının geliştirilmesi

Abstract

Gelişen teknoloji ile taşınabilir elektronik devreler, hibrit araçlar ve medikal devreler gibi alanlarda kullanmak üzere enerji depolama sistemleri ve Li-iyon piller ile ilgili birçok çalışma yapılmaktadır. Li-iyon pillerde ticari olarak grafit elektrot kullanılmaktadır. Ancak grafitin kapasite değerleri ve hız kabiliyeti günümüz enerji ve güç yoğunluğu taleplerini karşılayamamaktadır. Grafite alternatif olarak kalay ve kalay oksit esaslı elektrot malzemeleri yüksek kapasite değerlerinden dolayı ilgi çekicidir. Ancak şarj/deşarj esnasında kalay esaslı elektrot malzemesinin karşılaştığı en büyük problem hacim genleşmesidir. Bu problemi aşmaya yönelik olarak malzemenin morfoloji ve yapısı nano yapılı üretilerek ve diğer bir aktif veya inaktif malzeme ile birleştirilerek değiştirilebilir. Hibrit yapı oluşturmak için karbon nano tüpler, şarj/deşarj esnasındaki hacimsel değişimleri karşılayabilecek üstün mekanik özellikleri ve kısa difüzyon mesafesi sağlayabilecek nano tüp yapısından kaynaklı çok geniş yüzey alanı özelliklerine sahiptir. İlerleyen teknoloji çok ince, hafif, esneyebilen elektrotlara ihtiyaç duyduğundan serbest karbon nano tüp kağıtlar Li-iyon pillerde kullanılmaya başlamıştır. Bu doktora tez çalışmasında Sn/SnO2 çift fazlı nano kompozit ince filmi paslanmaz çelik altlıklar üzerine termal buharlaştırma ve plazma oksidasyon olmak üzere iki adımda biriktirilmiştir. Ayrıca kontrollü poroziteye sahip karbon nano tüp kağıtlar üzerine aynı yöntem ile Sn/SnO2 biriktirilerek gradyan bileşim dağılımına sahip Sn/SnO2/KNT serbest nano kompozit elektrotları üretilmiştir. Üretilen malzemelerin fiziksel ve kimyasal özellikleri çeşitli analiz yöntemleri ile incelenmiştir. Ayrıca CR2016 düğme tipi Li-iyon hücresinin içine negatif elektrot olarak yerleştirilen malzemelerin elektrokimyasal performansları test edilmiştir. Serbest halde, esnek, nano taneli, çift fazlı ve gradyan kompozit yapısında üretilen karbon nano tüp takviyeli kalay esaslı negatif elektrotlar grafite göre üstün elektrokimyasal performans sergilemiştir.

With developing technology, many studies have been performed on energy storage systems and Li-ion batteries to use in portable electronic devices, hybrid vehicles and medical devices etc. Graphite is commercially used in Li-ion batteries as anode material. However, capacity and rate capability of graphite cannot meet with the demands of today's energy and power density. Tin and tin oxide based electrode materials are attractive because of their higher capacity values as alternative to graphite. But volume expansion is one of the big challenges encountered by tin based electrode materials during charge/discharge process. To overcome this problem, the morphology and structure of the material can be modified with producing nano structure and/or incorporating SnO2 into other active or inactive materials to form composites. To form hybrid structure, carbon nano tubes with high mechanical properties can accommodate volume changes during charge/discharge process and provide short diffusion distance by a very large surface area. Free-standing carbon nano tubes papers (buckypapers) started to be used in Li-ion batteries, because advanced technology needs to have very thin, lightweight and flexible electrodes. In this Ph.D. study, Sn/SnO2 double phase nanocomposite thin films onto stainless steel substrates were produced by a two steps method: thermal evaporation and subsequent plasma oxidation. Additionally, Sn/SnO2 was deposited onto carbon nano tube papers to produce Sn/SnO2/CNT nanocomposite electrodes with functionally gradient composite structure by the same method. Physical and chemical properties of produced materials were investigated with various analysis methods. The materials were assembled as CR2016 button type Li-ion cell as negative electrode and electrochemical tests were performed. Free-standing, flexible, double phase, nano structure reinforced with carbon nano tubes tin based electrodes with functionally gradient composite structure showed superior electrochemical performances compared to graphite.