Lityum iyon piller için sol-jel yöntemiyle SnO2/ÇDKNT nanokompozit anot üretimi

Abstract

Üstün performans ve enerji depolama karakteristiğine sahip olan lityum iyon piller uzun şarj-deşarj çevrim ömrü, hafıza etkisi göstermemesi, çevre dostu olması gibi sebeplerden ötürü cep telefonları, bilgisayar, dijital kamera gibi taşınabilir elektronik cihazlar için vazgeçilmez bir güç kaynağı haline gelmiştir. Lityum iyon piller hibrit ve elektrikli araçlar için de tercih edilebilecek güç kaynakları olarak görülmektedir. Yüksek kapasiteli pil elde etmek için Li iyon pillerde geleneksel olarak kullanılan grafit anot yerine alternatif anot malzemelerin üretimi ilgi çekici bir araştırma konusu olmuştur. Lityum iyon pillerde anot olarak kullanılan SnO2 teorik lityum depolama kapasitesi ile en güven verici adaylardan biri olarak düşünülmektedir. SnO2 anot üretiminde birçok yöntem kullanılabilmektedir. Bu yöntemlerden sol-jel prosesi nanokompozit üretimi için kolay işleyiş basamakları, çözelti kimyasının esnekliği, düşük sıcaklık uygulamaları ve donanım masrafının az olması gibi avantajlar sunmaktadır. Tez çalışması, sol-jel yöntemiyle SnO2 toz ve SnO2-ÇDKNT nanokompozit toz üretimi ile ÇDKNT kağıt altlıklar üzerine orijinal olarak döndürerek kaplama yoluyla hazırlanan ve serbest anot olarak kullanılan SnO2-ÇDKNT nanokompozit film üretimi aşamalarından oluşmaktadır. Üretilen anot aktif nanomateryallerin x-ışını difraksiyonu (XRD) ile yapısal karakterizasyonu; taramalı elektron mikroskobu (SEM), atomik kuvvet mikroskobu (AFM) ve geçirimli elektron mikroskobu (TEM) ile morfolojik karakterizasyonu yapılmıştır. Üretilen anotların elektrokimyasal analizleri ise dönüşümlü voltametri (CV), elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) ve pil test cihazı kullanılarak yapılmıştır. Dizayn edilen CR2016 tipi hücrelerde anot elektrotların şarj-deşarj kabiliyeti, spesifik kapasitesi ve kapasite korunumu gibi parametreleri incelenmiştir. Bu çalışmada, SnO2 anot yapısında Li interkalasyonu sırasında yaklaşık % 300 oranında oluşan hacim artışı sebebiyle meydana gelen parçalanma ve dağılmanın önüne geçmek için mekanik destek olarak ÇDKNT kağıt kullanılmıştır. ÇDKNT kağıt altlıklar üzerine sol-jel döndürerek kaplama yöntemiyle SnO2-ÇDKNT nanokompozit film anotların hazırlanması ile ilgili olarak literatürde herhangi bir bilgiye rastlanmamıştır. İlk defa bu çalışmada kullanılan söz konusu yöntemle hazırlanan ÇDKNT ile takviye edilmiş SnO2 anot materyallerinin sol-jel yöntemiyle üretimi için faydalı çıktılar elde edilmiştir. SnO2-ÇDKNT nanokompozit film anotlar bu yöntemle üretilen diğer SnO2 toz ve nanokompozit anotlara göre uzun çevrim ömrü ve yüksek kapasite sağlamıştır.

Because of their outstanding performance and energy storage characteristics, lithium ion batteries have become very important power sources for portable electronics such as cell phones, notebook computers and digital cameras due to their long charge-discharge cycle life, no memory effect and environmentally friendly structure. Lithium ion batteries are considered as future power sources for hybrid and electric vehicles. For obtaining high capacity batteries, the manufacturing of alternative anode materials instead of traditionally used graphite anode for Li ion batteries has been an attractive research topic. SnO2 anode which can be used in Li ion batteries with a high theoretical lithium storage capacity is considered to be one of the most reassuring candidates. Several methods can be used to produce SnO2 anodes. Among these, sol-gel process offers a lot of advantages such as easy operation steps, the flexibility of solution chemistry, low temperature applications and low cost equipment for the production of nanocomposites. This study consists of SnO2 and SnO2-MWCNT nanocomposite powder production steps and preparing free-standing SnO2-MWCNT nanocomposite films. Structural characterization of produced anode active nanomaterials were performed by XRD and for morphological characterization scanning electron microscopy (SEM), atomic force microscopy (AFM) and transmission electron microscopy (TEM) were used. Electrochemical analyses were applied using cyclic voltammetry (CV), electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and battery tester device. Charge-discharge capabilities, specific capacity and capacity retention parameters were investigated of the anode electrodes assembled in the type of CR2016 cells. In this work, to prevent disintegration and pulverization of SnO2 anodes, MWCNT buckypapers were used as mechanical support because of volume expansion (≈ 300 %) of SnO2 anode structure during Li intercalation process. To the best of our knowledge there is no any previous work in the literature associated with preparing of SnO2-MWCNT nanocomposite film anodes on MWCNT buckypapers via sol-gel spin coating method. The results gave useful outcomes for the sol-gel production of SnO2 anode materials reinforced with MWCNT. SnO2-MWCNT nanocomposite film anodes provided long cycle life and high capacity compared with SnO2 powder and nanocomposite anodes which were produced by this method.